消除物聯(lián)網(wǎng)上的緩沖區(qū)溢出漏洞

在過去 30 年中，緩沖區(qū)溢出一直是網(wǎng)絡(luò)傳播攻擊中最常被利用的漏洞?？紤]到緩沖區(qū)的創(chuàng)建方式，這并不奇怪。

下面是 C 中的一個(gè)示例：

第 1 步。程序員使用 malloc 函數(shù)并定義緩沖區(qū)內(nèi)存量（例如 32 字節(jié)）

第 2 步。返回一個(gè)指針，指示內(nèi)存中緩沖區(qū)的開頭

第 3 步。程序員在需要讀取或?qū)懭朐摼彌_區(qū)時(shí)（僅）使用指針作為引用

有了指針，程序員很容易忘記分配給給定緩沖區(qū)的實(shí)際內(nèi)存量。編譯器在組裝過程中使用元數(shù)據(jù)來分配適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)大小，但此元數(shù)據(jù)通常在生成時(shí)丟棄以減少占用空間。

如果在程序內(nèi)部或程序之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)隨后超過最初定義的緩沖區(qū)大小，則該數(shù)據(jù)信息將覆蓋相鄰內(nèi)存。這可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存訪問錯(cuò)誤或崩潰，以及安全漏洞。

緩沖區(qū)溢出和漏洞利用

黑客可以使用堆棧緩沖區(qū)溢出將可執(zhí)行文件替換為惡意代碼，從而使他們能夠利用堆內(nèi)存或調(diào)用堆棧本身等系統(tǒng)資源。例如，控制流劫持利用堆棧緩沖區(qū)溢出將代碼執(zhí)行重定向到正常操作中使用的位置以外的位置。

一旦負(fù)責(zé)控制流，控制流劫持者就可以修改指針并重用現(xiàn)有代碼，同時(shí)還可能替換代碼。控制流的命令還允許攻擊者修改指針，以用于間接調(diào)用、跳轉(zhuǎn)和函數(shù)返回，從而留下有效的圖形以向防御者隱藏其操作。

盡管動(dòng)態(tài)地址空間布局隨機(jī)化 （ASLR） 機(jī)制和堆棧金絲雀用于在代碼執(zhí)行發(fā)生之前檢測和防止緩沖區(qū)溢出，但此類威脅仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

安全性：軟件還是芯片？

ASLR 和堆棧金絲雀是基于軟件的緩沖區(qū)溢出保護(hù)機(jī)制，確實(shí)使攻擊者更難利用緩沖區(qū)溢出。例如，ASLR 動(dòng)態(tài)重新定位內(nèi)存區(qū)域，以便黑客有效地猜測目標(biāo)組件（如基本可執(zhí)行文件、庫以及堆棧和堆內(nèi)存）的地址空間。不幸的是，最近的漏洞（如Spectre和Meltdown）泄漏了CPU分支預(yù)測器的信息，由于顯而易見的原因，這限制了ASLR的有效性。

另一方面，堆棧金絲雀在內(nèi)存中的返回指針之前插入小整數(shù)。在例程可以使用相應(yīng)的返回指針之前，將檢查這些整數(shù)以確保它們未更改。盡管如此，如果黑客確定包含正確的金絲雀值，他們還是有可能讀取金絲雀并簡單地覆蓋它和隨后的緩沖區(qū)而不會(huì)發(fā)生任何事件。此外，雖然 Canary 保護(hù)控件數(shù)據(jù)不被更改，但它們不保護(hù)指針或任何其他數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，基于軟件的安全解決方案的另一個(gè)挑戰(zhàn)是它們極易受到錯(cuò)誤的影響。據(jù)估計(jì)，每 1，000 行代碼存在 15-50 個(gè)錯(cuò)誤，這意味著解決方案中存在的軟件越多，漏洞的數(shù)量就越多。

在解決疾病而不是緩沖區(qū)溢出的癥狀時(shí)，更強(qiáng)大的方法是在硅中實(shí)現(xiàn)安全性 - 雖然堆棧緩沖區(qū)溢出漏洞旨在操縱軟件程序，但解決此類攻擊的根本原因首先要意識(shí)到處理器無法確定給定程序是否正在正確執(zhí)行。

除了減輕軟件錯(cuò)誤的影響之外，硅不能遠(yuǎn)程更改。但是，必須對(duì)處理器或硅IP進(jìn)行編程，以便在運(yùn)行時(shí)識(shí)別嘗試寫入內(nèi)存或外設(shè)的指令是執(zhí)行合法操作還是非法操作。

Dover Microsystems開發(fā)了一種名為CoreGuard的技術(shù)。

運(yùn)行時(shí)的芯片安全性

CoreGuard是一種硅IP，可以與RISC處理器架構(gòu)集成，以在運(yùn)行時(shí)識(shí)別無效指令。該解決方案以 RTL 形式提供，可以針對(duì)各種功耗和面積要求進(jìn)行優(yōu)化，也可以進(jìn)行修改以支持自定義處理器擴(kuò)展。

如圖 2 所示，CoreGuard 架構(gòu)包括一個(gè)硬件互鎖，用于控制主機(jī)處理器與系統(tǒng)其余部分之間的所有通信。硬件互鎖將這些通信匯集到策略實(shí)施器中。

另外，CoreGuard 使用稱為微策略的可更新安全規(guī)則，這些規(guī)則是用高級(jí)專有語言創(chuàng)建的簡單管理策略。這些規(guī)則安裝在與其他操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序代碼隔離的安全、無法訪問的內(nèi)存區(qū)域中。CoreGuard 還在此處為通常由編譯器丟棄的應(yīng)用程序元數(shù)據(jù)保留少量內(nèi)存分配，用于為系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)和指令生成唯一標(biāo)識(shí)符。這些組件在系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)加載。

當(dāng)指令嘗試在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行時(shí)，在特權(quán)模式下運(yùn)行的 CoreGuard 策略執(zhí)行核心或主機(jī)處理器會(huì)根據(jù)定義的微策略交叉引用指令的元數(shù)據(jù)。硬件聯(lián)鎖確保處理器僅向內(nèi)存或外設(shè)輸出有效指令，從而防止無效代碼完全執(zhí)行。應(yīng)用程序會(huì)收到類似于被零除錯(cuò)誤的策略沖突通知，并通知用戶。

與主機(jī)處理器集成以支持指令跟蹤輸出、失速輸入、不可屏蔽中斷 （NMI） 輸入和中斷輸出所需的一切。對(duì)于非芯片設(shè)計(jì)人員，Dover Microsystems最近宣布其CoreGuard技術(shù)正在設(shè)計(jì)用于某些NXP處理器。

消除各類攻擊

在緩沖區(qū)溢出的情況下，像CoreGuard這樣的技術(shù)的好處是顯而易見的。可以合并作為經(jīng)常丟棄的編譯器元數(shù)據(jù)的一部分捕獲的緩沖區(qū)大小，以限制攻擊者從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)操縱系統(tǒng)堆棧的能力。更進(jìn)一步，相同的原則可以應(yīng)用于一般的控制流劫持，因?yàn)閺膬?nèi)存中各個(gè)點(diǎn)返回可以在它們發(fā)生之前受到限制。

在實(shí)踐中，這種實(shí)時(shí)感知也為安全行業(yè)創(chuàng)造了新的競爭環(huán)境。通過能夠在損壞發(fā)生之前識(shí)別錯(cuò)誤或攻擊，用戶可以選擇動(dòng)態(tài)重新分配內(nèi)存，切換到單獨(dú)的，更安全的程序或記錄事件，同時(shí)繼續(xù)運(yùn)行相同的程序。如何進(jìn)行完全取決于應(yīng)用程序或業(yè)務(wù)案例的需求。

我們是否看到了零日漏洞的終結(jié)？只有時(shí)間會(huì)證明一切，但似乎我們走在正確的道路上。

審核編輯：郭婷