Buffer Overflow

El desbordamiento de buffer es una vulnerabilidad de seguridad que ocurre cuando un programa escribe más datos en un buffer de los que este puede manejar. Esto puede llevar a la corrupción de datos adyacentes en la memoria, y en algunos casos, puede ser explotado para ejecutar código arbitrario.

El Stack (Pila)

El stack es una estructura de datos en memoria utilizada para almacenar variables locales y para mantener el control de la ejecución de funciones en un programa. Es una zona de memoria que crece y decrece dinámicamente conforme se realizan llamadas a funciones y se retornan de ellas.

Componentes del Stack:

• Frame Pointer (FP) o Base Pointer (BP): Un registro que apunta al comienzo del stack frame actual.

• Stack Pointer (SP): Un registro que apunta al tope del stack.

• Return Address: Dirección a la que se debe retornar después de ejecutar una función.

• Variables Locales: Almacenadas en el stack para su uso dentro de la función.

Funcionamiento del Stack

Cuando se llama a una función, se crea un nuevo stack frame:

1. Push Return Address: La dirección de retorno es empujada al stack.

2. Push Frame Pointer: El valor actual del frame pointer es empujado al stack.

3. Update Frame Pointer: El frame pointer se actualiza para apuntar al nuevo stack frame.

4. Allocate Space for Local Variables: Se reserva espacio en el stack para las variables locales de la función.

Cuando la función termina, el stack frame se destruye y se retorna a la dirección almacenada en el return address.

Buffer Overflow

Un desbordamiento de buffer ocurre cuando se escriben más datos de los que un buffer puede manejar, sobreescribiendo así memoria adyacente. Esto puede ocurrir debido a una falta de validación de límites de entrada.

Si un atacante puede controlar la entrada que causa el desbordamiento, puede sobrescribir el return address en el stack. De este modo, cuando la función termina, en lugar de retornar a la dirección original, el flujo de ejecución salta a una dirección controlada por el atacante, permitiendo la ejecución de código arbitrario.

Diferencias entre Windows y Linux

Gestión de Memoria

• Windows: Utiliza SEH (Structured Exception Handling) y DEP (Data Execution Prevention) para proteger contra exploits de buffer overflow. ASLR (Address Space Layout Randomization) también se utiliza para aleatorizar la disposición de los segmentos de memoria.

• Linux: Utiliza mecanismos similares como NX (No-eXecute) bit y ASLR. Sin embargo, la implementación y los detalles pueden diferir.

Protección del Stack

• Windows: Utiliza canaries (valores aleatorios) para proteger el stack. Si el canary es modificado, el programa detecta el desbordamiento y aborta.

• Linux: Similar a Windows, también utiliza canaries y otros mecanismos de protección como Stack Smashing Protector (SSP).

Explotación Binaria a Bajo Nivel

Registros y Direcciones

Los registros son pequeñas áreas de almacenamiento en la CPU que son extremadamente rápidas. Algunos registros importantes son:

• EIP/RIP (Instruction Pointer): Apunta a la próxima instrucción a ejecutar.

• ESP/RSP (Stack Pointer): Apunta al tope del stack.

• EBP/RBP (Base Pointer): Apunta al inicio del stack frame actual.

Manipulación del Stack

En un ataque de buffer overflow, el objetivo es sobrescribir el EIP/RIP para redirigir el flujo de ejecución. Esto se logra sobreescribiendo el return address en el stack frame.

Shellcode

El shellcode es una pequeña pieza de código que se inyecta en el stack y se ejecuta al tomar control del flujo de ejecución. Está diseñado para realizar tareas específicas, como abrir una shell o conectarse a un servidor remoto.

Ejemplo de Buffer Overflow Código Vulnerable en C:

Si el atacante provee una entrada mayor a 64 bytes, puede sobrescribir la memoria adyacente y potencialmente controlar el EIP/RIP.

#include <stdio.h>
#include <string.h>

void vulnerable_function(char *input) {
    char buffer[64];
    strcpy(buffer, input); // No hay verificación de límites
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc > 1) {
        vulnerable_function(argv[1]);
    }
    return 0;
}

Técnicas de Mitigación

• Canaries: Valores aleatorios colocados antes del return address. Si se alteran, se detecta el desbordamiento.

• ASLR: Aleatoriza las direcciones de memoria para dificultar la predicción de direcciones útiles para el atacante.

• DEP/NX: Previene la ejecución de código en ciertas áreas de memoria.

• Fortificación de Código: Usar funciones seguras que verifican los límites, como strncpy en lugar de strcpy.

Conclusión

El desbordamiento de buffer es una vulnerabilidad crítica que ha sido explotada extensamente en el pasado. Con un entendimiento profundo del stack y la gestión de memoria, los atacantes pueden desarrollar exploits sofisticados. Sin embargo, con las técnicas de mitigación modernas y las buenas prácticas de programación, se pueden prevenir muchos de estos ataques.