在IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)工具中如何實(shí)現(xiàn)堆棧保護(hù)來(lái)提高代碼的安全性

隨著越來(lái)越多的嵌入式產(chǎn)品連接到外部網(wǎng)絡(luò)，嵌入式產(chǎn)品的信息安全性（Security）越來(lái)越多地被人們關(guān)注。其中既包括直接連接到外部網(wǎng)絡(luò)，比如通過(guò)Wi-Fi連接；也包括間接連接到外部網(wǎng)絡(luò)，比如汽車(chē)中的ECU通過(guò)CAN總線與T-box相連，而T-box通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以連接到外部網(wǎng)絡(luò)。特別是對(duì)于一些高功能安全性（Safety）要求的產(chǎn)品，如工業(yè)，汽車(chē)，醫(yī)療產(chǎn)品等，信息安全成為了功能安全的前提（There Is No Safety Without Security）。

在C/C++中，堆棧緩存溢出（Stack Buffer Overflow）是一種常見(jiàn)的錯(cuò)誤：當(dāng)程序往堆棧緩存（Stack Buffer）寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，由于堆棧緩存通常采用固定長(zhǎng)度，如果需要寫(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)堆棧緩存的長(zhǎng)度時(shí)，就會(huì)造成堆棧緩存溢出。堆棧緩存溢出會(huì)覆蓋堆棧緩存臨近的堆棧數(shù)據(jù)，其中可能包含函數(shù)的返回地址，就會(huì)造成函數(shù)返回時(shí)異常。如果堆棧緩存溢出是攻擊者利用代碼的漏洞蓄意造成的，它就稱為堆棧粉碎（Stack Smashing）。堆棧粉碎是常用的一種攻擊手段。

堆棧金絲雀（Stack Canaries）, 因其類似于在煤礦中使用金絲雀來(lái)感測(cè)瓦斯等氣體而得名，它可以用于在函數(shù)返回之前檢測(cè)堆棧緩存溢出來(lái)實(shí)現(xiàn)堆棧保護(hù)(Stack Protection)，從而提高代碼的安全性。

相對(duì)于很多更加關(guān)注發(fā)揮器件性能的原廠開(kāi)發(fā)工具，一些在行業(yè)中被廣泛使用的商用開(kāi)發(fā)工具更加關(guān)注性能和安全性的平衡性和完整性。本文以過(guò)去數(shù)十年來(lái)在行業(yè)中被廣泛采用的商用工具鏈IAR Embedded Workbench為例，介紹如何在工具中實(shí)現(xiàn)堆棧保護(hù)，從而提高代碼的安全性。

堆棧粉碎

在C/C++中，堆棧（Stack）用于保存程序正常運(yùn)行（比如函數(shù)調(diào)用或者中斷搶占）的臨時(shí)數(shù)據(jù)，可能包含如下數(shù)據(jù)：

●   沒(méi)有存儲(chǔ)在寄存器中的函數(shù)參數(shù)和局部變量

●   沒(méi)有存儲(chǔ)在寄存器中的函數(shù)返回值和函數(shù)返回地址

●   CPU和寄存器狀態(tài)

由于堆棧保存的是保證程序正常運(yùn)行的臨時(shí)數(shù)據(jù)，堆棧緩存溢出會(huì)覆蓋堆棧緩存臨近的堆棧數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能包含函數(shù)的返回地址，如果發(fā)生時(shí)一般會(huì)造成程序運(yùn)行異常。攻擊者經(jīng)常利用這一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行堆棧粉碎攻擊。

下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明堆棧粉碎攻擊：

void foo(char *bar)

{

char c[12];

strcpy(c, bar);  // no bounds checking

}

foo()函數(shù)將函數(shù)參數(shù)輸入復(fù)制到本地堆棧變量c。如下圖B所示：當(dāng)函數(shù)參數(shù)輸入小于12個(gè)字符時(shí)，foo()函數(shù)會(huì)正常工作。如下圖C所示：當(dāng)函數(shù)參數(shù)輸入大于11個(gè)字符時(shí)，foo()函數(shù)會(huì)覆蓋本地堆棧的數(shù)據(jù)，將函數(shù)返回地址覆蓋為0x80C03508，當(dāng)foo()函數(shù)返回時(shí)，會(huì)執(zhí)行地址0x80C03508對(duì)應(yīng)的代碼A，代碼A有可能包含攻擊者提供的shell代碼，從而使攻擊者獲得操作權(quán)限。

A數(shù)據(jù)復(fù)制前

B "hello" 作為函數(shù)參數(shù)輸入

C "AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAx08x35xC0x80"作為函數(shù)參數(shù)輸入

圖：堆棧粉碎示例

堆棧保護(hù)

因其功能類似于在煤礦中用來(lái)發(fā)現(xiàn)瓦斯的金絲雀而得名的堆棧金絲雀（Stack Canaries），可以用于在函數(shù)返回執(zhí)行惡意代碼之前檢測(cè)堆棧緩存溢出。其檢測(cè)原理是：當(dāng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，將需要保存的臨時(shí)數(shù)據(jù)保存到堆棧，然后放置一個(gè)堆棧金絲雀,當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，檢查堆棧金絲雀的值是否發(fā)生改變；如果發(fā)生改變，說(shuō)明堆棧已被篡改，否則說(shuō)明堆棧沒(méi)有被篡改。

下面介紹如何在IAR Embedded Workbench這種廣受歡迎的商用工具鏈中實(shí)現(xiàn)堆棧保護(hù)，從而提高代碼的安全性：

在IAR Embedded Workbench中，會(huì)使用啟發(fā)模式（Heuristic）來(lái)決定函數(shù)是否需要堆棧保護(hù): 如果函數(shù)局部變量包含數(shù)組類型或者結(jié)構(gòu)體成員包含數(shù)組類型，或者局部變量的地址在該函數(shù)外被使用，該函數(shù)需要堆棧保護(hù)。

IAR Embedded Workbench安裝目錄下面srclibruntime包含stack_protection.c，里面包含了__stack_chk_guard變量和__stack_chk_fail函數(shù)，可以作為模板使用：其中__stack_chk_guard變量就是堆棧金絲雀的值，在函數(shù)返回時(shí)，如果檢測(cè)到堆棧金絲雀的值被篡改，就會(huì)調(diào)用__stack_chk_fail函數(shù)。

1.將IAR Embedded Workbench安裝目錄下面srclibruntime文件夾的stack_protection.c拷貝并添加到工程。

2.在IAR Embedded Workbench中啟用堆棧保護(hù)。

3.在代碼中聲明堆棧保護(hù)相關(guān)的__stack_chk_guard變量和__stack_chk_fail函數(shù)。

extern uint32_t __stack_chk_guard;

__interwork __nounwind __noreturn void __stack_chk_fail(void);

4.編譯工程。編譯器會(huì)在需要堆棧保護(hù)的函數(shù)中添加如下操作：在函數(shù)入口處先入棧（Push），然后再額外保存堆棧金絲雀，具體的值用戶可以在stack_protection.c中更改__stack_chk_guard；在函數(shù)出口，會(huì)檢測(cè)堆棧金絲雀的值是否還是__stack_chk_guard，如果不是，說(shuō)明堆棧被篡改，會(huì)調(diào)用__stack_chk_fail函數(shù)。

調(diào)試

將斷點(diǎn)打到需要堆棧保護(hù)的函數(shù)反匯編（Disassembly）入口，暫停后發(fā)現(xiàn)編譯器在函數(shù)入口處入棧操作之后額外將堆棧金絲雀保存：

在函數(shù)出口處打斷點(diǎn)，然后運(yùn)行程序，在函數(shù)返回時(shí)，會(huì)先檢測(cè)堆棧金絲雀的值是否還是__stack_chk_guard，如果不是，說(shuō)明堆棧被篡改，會(huì)調(diào)用__stack_chk_fail函數(shù)。

改變堆棧金絲雀的值使之與__stack_chk_guard不一致，然后運(yùn)行程序，函數(shù)返回時(shí)將會(huì)調(diào)用__stack_chk_fail函數(shù)：

總結(jié)

本文主要介紹了堆棧粉碎攻擊如何利用堆棧緩存溢出來(lái)影響代碼的安全性。通過(guò)在IAR Embedded Workbench中實(shí)現(xiàn)堆棧保護(hù)可以檢測(cè)堆棧的完整性，從而提高代碼的安全性。

參考文獻(xiàn)：

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Stack_buffer_overflow

2.https://cwe.mitre.org/data/definitions/121.html

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Buffer_overflow_protection

4.https://www.iar.com/knowledge/learn/programming/stack-protection-in-iar-embedded-workbench/

5.IAR C/C++ Development Guide （Stack protection）