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地址空間配置隨機(jī)加載(Address space layout randomization，縮寫ASLR，又稱地址空間配置隨機(jī)化、地址空間布局隨機(jī)化)是一種防范內(nèi)存損壞漏洞被利用的計(jì)算機(jī)安全技術(shù)。詳細(xì)一點(diǎn)，就是地址空間配置隨機(jī)加載是一種針對緩沖區(qū)溢出的安全保護(hù)技術(shù)，通過對堆、棧、共享庫映射等線性區(qū)布局的隨機(jī)化，通過增加攻擊者預(yù)測目的地址的難度，防止攻擊者直接定位攻擊代碼位置，達(dá)到阻止溢出攻擊的目的的一種技術(shù)。

所以對于攻擊者來說，繞過地址空間布局隨機(jī)化的防御體系是他們執(zhí)行所有內(nèi)存攻擊漏洞的先決條件。這意味著，關(guān)于攻破地址空間布局隨機(jī)化的研究話題也是一個比較熱門的領(lǐng)域。另外根據(jù)我的推測，對地址空間布局的攻擊將來也會變得異常復(fù)雜。

本文會介紹有關(guān)地址空間布局的一些基本事實(shí)，重點(diǎn)是Windows實(shí)現(xiàn)。除了介紹地址空間布局在改善安全狀況方面所做的貢獻(xiàn)之外，我們還旨在為防御者提供有關(guān)如何改善其程序安全性的建議，并為研究人員提供更多有關(guān)地址空間布局的工作原理和調(diào)查其局限性的想法的見解。

當(dāng)程序錯誤地將攻擊者控制的數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)內(nèi)存區(qū)域或目標(biāo)內(nèi)存范圍之外時，就會發(fā)生內(nèi)存損壞漏洞(Memory corruption vulnerability)。這可能會使程序崩潰，更糟糕的是，攻擊者可以完全控制系統(tǒng)。盡管蘋果，谷歌和微軟等大型公司都努力在緩解內(nèi)存破壞漏洞，但數(shù)十年來這個攻擊一直在困擾著它們。

由于這些漏洞很難被發(fā)現(xiàn)，而且一旦發(fā)生就會危及整個操作系統(tǒng)，所以安全專業(yè)人員設(shè)計(jì)了一種漏洞安全保護(hù)機(jī)制，以阻止程序被利用。另外使用這種漏洞安全保護(hù)機(jī)制，如果發(fā)生內(nèi)存損壞漏洞時，就可以限制所造成的損害。本文將介紹一種被稱為“silver bullet”的方法，防護(hù)人員使用這種方法可以讓漏洞利用變得非常困難，該防護(hù)機(jī)制可以將錯誤的代碼留在原處，從而為開發(fā)人員提供了用內(nèi)存安全的語言修復(fù)或重寫代碼所需的時間。不幸的是，沒有什么防護(hù)方法是完美的，但是地址空間布局隨機(jī)化是可用的最佳緩解措施之一。

地址空間布局隨機(jī)化的工作方式打破了開發(fā)人員在運(yùn)行時對程序和庫位于內(nèi)存中的位置所做的假設(shè)，一個常見的示例是面向返回的編程(ROP)中使用的小工具的位置，該位置通常用于抵御數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)(DEP)的防御。地址空間布局隨機(jī)化混合了易受攻擊進(jìn)程的地址空間(主程序、其動態(tài)庫、堆棧和堆、內(nèi)存映射文件等)，因此必須針對受害進(jìn)程的地址空間專門定制利用有效載荷當(dāng)時的布局。如果攻擊者編寫一種蠕蟲，將其帶有硬編碼內(nèi)存地址的內(nèi)存破壞漏洞隨機(jī)地發(fā)送到它可以找到的每臺設(shè)備，這種傳播注定會失敗。只要目標(biāo)進(jìn)程啟用了地址空間布局隨機(jī)化，漏洞利用的內(nèi)存偏移就將與地址空間布局隨機(jī)化選擇的內(nèi)存偏移不同。這會使易受攻擊的程序發(fā)生崩潰，而不是被利用。

地址空間布局隨機(jī)化是在Windows Vista中被引入的， 也就是說Vista之前的版本沒有ASLR。更糟糕的是，他們竭盡全力在所有進(jìn)程和設(shè)備上保持一致的地址空間

Windows Vista和Windows Server 2008是最早支持地址空間布局隨機(jī)化兼容可執(zhí)行文件和庫的版本，所以有人可能會認(rèn)為以前的版本根本沒有地址空間布局隨機(jī)化，而只是將DLL加載到當(dāng)時方便的任何位置，這個位置是可以預(yù)測的，但在兩個進(jìn)程或設(shè)備之間不一定相同。不幸的是，這些老的Windows版本反而無法實(shí)現(xiàn)我們所說的“地址空間布局一致性”。下表顯示了Windows XP Service Pack 3某些核心DLL的“首選基地址”。

 Windows DLL包含一個首選的基地址，如果沒有地址空間布局隨機(jī)化，則在可能的情況下使用。

創(chuàng)建進(jìn)程時，Vista之前的Windows版本會盡可能在其首選基址處加載程序所需的每個DLL。例如，如果攻擊者在ntdll的0x7c90beef處找到了有用的ROP小工具，則攻擊者可以假定它將一直在該地址可用，直到以后的Service Pack或安全補(bǔ)丁要求重新組織DLL為止。這意味著對Vista之前的Windows的攻擊可以將來自常見DLL的ROP小工具鏈接在一起，以禁用DEP，DEP是這些版本中唯一的內(nèi)存損壞防護(hù)機(jī)制。Data Execution Prevention(DEP)，即數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)，是Windows上的可執(zhí)行空間保護(hù)策略，能夠在內(nèi)存上執(zhí)行額外檢查以阻止數(shù)據(jù)頁(如默認(rèn)的堆頁、各種堆棧頁及內(nèi)存池頁)執(zhí)行惡意代碼，防止緩沖區(qū)溢出攻擊。緩沖區(qū)溢出攻擊的根源在于計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)和代碼沒有明確區(qū)分，當(dāng)程序溢出成功轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)頁的shellcode時，會成功執(zhí)行惡意指令。而DEP的基本原理是將數(shù)據(jù)所在內(nèi)存頁標(biāo)識為不可執(zhí)行，當(dāng)程序溢出成功轉(zhuǎn)入shellcode嘗試在數(shù)據(jù)頁面上執(zhí)行指令時，CPU 會拋出異常，而不執(zhí)行惡意指令。微軟從Windows XP SP2開始提供DEP支持，操作系統(tǒng)通過在內(nèi)存的頁面表(Page Table)設(shè)置內(nèi)存頁的NX/XD屬性標(biāo)記，來指明不能從該內(nèi)存執(zhí)行代碼。當(dāng)該標(biāo)識位設(shè)置為0時表示這個頁面允許執(zhí)行指令，設(shè)置為1時表示該頁面不允許執(zhí)行指令。

為什么Windows需要支持首選基地址?因?yàn)閃indows dll的設(shè)計(jì)與ELF共享庫等其他設(shè)計(jì)之間的性能需要進(jìn)行權(quán)衡。由于Windows DLL不是位于獨(dú)立位置的，特別是在32位計(jì)算機(jī)上，如果Windows DLL代碼需要引用全局變量，則該變量的運(yùn)行時地址將被硬編碼到計(jì)算機(jī)代碼中。如果DLL加載的地址與預(yù)期的地址不同，則將執(zhí)行重定位以修復(fù)此類硬編碼的引用。如果DLL被加載為它的首選基址，則不需要重新定位，并且DLL的代碼可以直接從文件系統(tǒng)映射到內(nèi)存中。

直接將DLL文件映射到內(nèi)存，這樣做對性能的提高有好處，因?yàn)樗苊饬嗽谛枰狣LL的任何頁面之前將它們讀入物理內(nèi)存。首選基址的一個更好的理由是確保內(nèi)存中只需要一個DLL副本，如果沒有它們，那么運(yùn)行的三個程序?qū)⒐蚕硪粋€公共DLL，但是每個程序在不同的地址加載該DLL，那么內(nèi)存中就會有三個DLL副本，每個副本都被重新定位到不同的庫。這樣一來，使用共享庫的主要好處就會被抵消掉。除了安全性方面的好處外，地址空間布局隨機(jī)化還以一種更優(yōu)雅的方式完成了同樣的任務(wù)，即確保已加載DLL的地址空間不會重疊，并且只將DLL的一個副本加載到內(nèi)存中。由于地址空間布局隨機(jī)化在避免地址空間重疊方面比靜態(tài)分配的首選負(fù)載地址做得更好，所以手動分配首選基地址在支持地址空間布局隨機(jī)化的操作系統(tǒng)上不提供任何優(yōu)化，并且在開發(fā)生命周期中不可能再被用到。

總結(jié)起來就是：

1. Windows XP和Windows Server 2003及更早版本不支持地址空間布局隨機(jī)化，顯然，這些版本已經(jīng)多年不受支持了，應(yīng)該早就停止在生產(chǎn)環(huán)境中使用了。他們可能沒有意識到，完全相同的程序可能更安全，也可能更不安全，這取決于運(yùn)行的操作系統(tǒng)版本。那些仍然擁有地址空間布局隨機(jī)化和非地址空間布局隨機(jī)化支持Windows版本的開發(fā)人員應(yīng)該相應(yīng)地響應(yīng)CVE報告，因?yàn)橥瑯拥穆┒纯赡茉赪indows 10上無法利用，但在Windows XP上卻可以利用。這同樣適用于Windows 10而不是Windows 8.1或Windows 7，因?yàn)槊總€版本的ASLR都變得更加強(qiáng)大。

2. 審核老版程序代碼庫，以避免被首選加載地址誤導(dǎo)。老版程序仍可以使用Microsoft Visual C ++ 6之類的老工具進(jìn)行維護(hù)，這些開發(fā)工具包含有關(guān)首選加載地址的作用和重要性的過時文檔。由于這些老工具無法將映像標(biāo)記為與地址空間布局隨機(jī)化兼容，因此，一個懶惰的開發(fā)人員不必費(fèi)心更改默認(rèn)的DLL地址，實(shí)際上會更好，因?yàn)闆_突會迫使映像重新定位到無法預(yù)測的位置!

Windows在跨進(jìn)程甚至跨用戶的同一位置會加載多個映像實(shí)例，只有重新啟動才能保證所有映像的地址均具有新的隨機(jī)基地址。

在地址空間布局隨機(jī)化的Linux實(shí)現(xiàn)中使用的ELF映像可以在共享庫中使用與位置無關(guān)的可執(zhí)行文件和與位置無關(guān)的代碼，以便在每次啟動時為主程序及其所有庫提供新的隨機(jī)地址空間，共享同一設(shè)備的代碼在多個進(jìn)程之間可以進(jìn)行切換，即使它被加載到不同的地址也是如此。 不過，Windows ASLR無法以這種方式工作。相反，第一次使用內(nèi)核時，內(nèi)核會為每個DLL或EXE映像分配一個隨機(jī)的加載地址，并且在加載DLL或EXE的其他實(shí)例時，它們會收到相同的加載地址。如果映像的所有實(shí)例均已卸載，并且該映像隨后又被加載，則該映像可能會，也可能不會接收到相同的基址。只有重新啟動，才能保證系統(tǒng)范圍內(nèi)所有映像接收到的都是最新基址。

由于Windows DLL不使用與位置無關(guān)的代碼，因此可以在進(jìn)程之間共享其代碼的唯一方法是始終將其加載在同一地址。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，內(nèi)核會選擇一個地址(例如32位系統(tǒng)上的0x78000000)，并在其下面的隨機(jī)地址處加載DLL。如果某個進(jìn)程加載了最近使用的DLL，則系統(tǒng)可能會重新使用先前選擇的地址，因此會在內(nèi)存中重新使用該DLL的先前副本，該實(shí)現(xiàn)解決了為每個DLL提供一個隨機(jī)地址并確保DLL不會同時重疊的問題。

對于EXE，不必?fù)?dān)心兩個EXE重疊，因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)不會被加載到同一進(jìn)程中。即使映像大于0x100000字節(jié)，將EXE的第一個實(shí)例加載為0x400000，將第二個實(shí)例加載為0x500000也沒有問題， Windows只選擇在給定EXE的多個實(shí)例之間共享代碼。

總結(jié)起來就是：

1. 任何在崩潰后自動重啟的Windows程序都特別容易受到暴力攻擊，這時地址空間布局隨機(jī)化的防護(hù)也會失敗。

考慮遠(yuǎn)程攻擊者可以按需執(zhí)行的程序，例如CGI程序，或者僅在超級服務(wù)器需要時才執(zhí)行的連接處理程序(例如inetd)。另一種可能性是，Windows服務(wù)與看門狗配對，當(dāng)它崩潰時會重新啟動該服務(wù)。此時，攻擊者可以利用Windows ASLR的工作原理來盡可能加載EXE的基地址。如果程序崩潰，并且該程序的另一個副本保留在內(nèi)存中，或者該程序迅速重新啟動，并且在可能的情況下，接收到相同的ASLR基址，則攻擊者可以假定新實(shí)例仍為加載到相同的地址，此時，攻擊者將嘗試使用相同的地址。

2. 如果攻擊者能夠發(fā)現(xiàn)DLL在任何進(jìn)程中的加載位置，那么他就知道DLL在所有進(jìn)程中的加載位置。

假如一個運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的系統(tǒng)同時具有兩個漏洞：一個在調(diào)試消息中泄漏指針值，但沒有緩沖區(qū)溢出;一個在緩沖區(qū)溢出但不泄漏指針。如果泄漏的程序揭示了kernel32.dll的基址，并且攻擊者知道該DLL中的一些有用的ROP小工具，則可以使用相同的內(nèi)存偏移量來攻擊包含溢出的程序。因此，看似無關(guān)的易受攻擊程序可以鏈接在一起，以首先克服ASLR，然后啟動漏洞利用程序。

3. 要提升特權(quán)，可以首先使用低特權(quán)帳戶繞過ASLR。

假設(shè)后臺服務(wù)公開了僅供本地用戶可訪問的命名管道，并且存在緩沖區(qū)溢出。要確定該程序的主程序和DLL的基地址，攻擊者只需在調(diào)試器中啟動另一個副本。然后，可以使用從調(diào)試器確定的偏移量來開發(fā)有效載荷，以利用高特權(quán)進(jìn)程。發(fā)生這種情況是因?yàn)閃indows在保護(hù)EXE和DLL的隨機(jī)基址時不會嘗試將用戶彼此隔離。

 本文翻譯自：https://www.fireeye.com/blog/threat-research/2020/03/six-facts-about-address-space-layout-randomization-on-windows.html如若轉(zhuǎn)載，請注明原文地址。