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整数溢出
什么是整数溢出
简介
在 C 语言基础的章节中，我们介绍了 C 语言整数的基础知识，下面我们详细介绍整数的安全问题。
由于整数在内存里面保存在一个固定长度的空间内，它能存储的最大值和最小值是固定的，如果我们尝试去存储一个数，而这个数又大于这个固定的最大值时，就会导致整数溢出。（x86-32 的数据模型是 ILP32，即整数（Int）、长整数（Long）和指针（Pointer）都是 32 位。）
整数溢出的危害
如果一个整数用来计算一些敏感数值，如缓冲区大小或数值索引，就会产生潜在的危险。通常情况下，整数溢出并没有改写额外的内存，不会直接导致任意代码执行，但是它会导致栈溢出和堆溢出，而后两者都会导致任意代码执行。由于整数溢出出现之后，很难被立即察觉，比较难用一个有效的方法去判断是否出现或者可能出现整数溢出。
整数溢出
有符号整数上溢出
int i;
i = INT_MAX; // 2 147 483 647
i++;
printf("i = %d\n", i); // i = -2 147 483 648
有符号整数下溢出
i = INT_MIN; // -2 147 483 648
i--;
printf("i = %d\n", i); // i = 2 147 483 647
无符号数截断
涉及无符号数的计算永远不会溢出，如果计算结果无法用无符号数表示，就会发生截断。
加法截断：
0xffffffff + 0x00000001
= 0x0000000100000000 (long long)
= 0x00000000 (long)
乘法截断：
0x00123456 * 0x00654321
= 0x000007336BF94116 (long long)
= 0x6BF94116 (long)
整型提升和宽度溢出
整型提升是指当计算表达式中包含了不同宽度的操作数时，较小宽度的操作数会被提升到和较大操作数一样的宽度，然后再进行计算。
示例：源码
#include<stdio.h>
void main() {
int l;
short s;
char c;
l = 0xabcddcba;
s = l;
c = l;
printf("宽度溢出\n");
printf("l = 0x%x (%d bits)\n", l, sizeof(l) * 8);
printf("s = 0x%x (%d bits)\n", s, sizeof(s) * 8);
printf("c = 0x%x (%d bits)\n", c, sizeof(c) * 8);
printf("整型提升\n");
printf("s + c = 0x%x (%d bits)\n", s+c, sizeof(s+c) * 8);
}
$ ./a.out
宽度溢出
l = 0xabcddcba (32 bits)
s = 0xffffdcba (16 bits)
c = 0xffffffba (8 bits)
整型提升
s + c = 0xffffdc74 (32 bits)
使用 gdb 查看反汇编代码：
gdb-peda$ disassemble main
Dump of assembler code for function main:
0x0000056d <+0>: lea ecx,[esp+0x4]
0x00000571 <+4>: and esp,0xfffffff0
0x00000574 <+7>: push DWORD PTR [ecx-0x4]
0x00000577 <+10>: push ebp
0x00000578 <+11>: mov ebp,esp
0x0000057a <+13>: push ebx
0x0000057b <+14>: push ecx
0x0000057c <+15>: sub esp,0x10
0x0000057f <+18>: call 0x470 <__x86.get_pc_thunk.bx>
0x00000584 <+23>: add ebx,0x1a7c
0x0000058a <+29>: mov DWORD PTR [ebp-0xc],0xabcddcba
0x00000591 <+36>: mov eax,DWORD PTR [ebp-0xc]
0x00000594 <+39>: mov WORD PTR [ebp-0xe],ax
0x00000598 <+43>: mov eax,DWORD PTR [ebp-0xc]
0x0000059b <+46>: mov BYTE PTR [ebp-0xf],al
0x0000059e <+49>: sub esp,0xc
0x000005a1 <+52>: lea eax,[ebx-0x1940]
0x000005a7 <+58>: push eax
0x000005a8 <+59>: call 0x400 <puts@plt>
0x000005ad <+64>: add esp,0x10
0x000005b0 <+67>: sub esp,0x4
0x000005b3 <+70>: push 0x20
0x000005b5 <+72>: push DWORD PTR [ebp-0xc]
0x000005b8 <+75>: lea eax,[ebx-0x1933]
0x000005be <+81>: push eax
0x000005bf <+82>: call 0x3f0 <printf@plt>
0x000005c4 <+87>: add esp,0x10
0x000005c7 <+90>: movsx eax,WORD PTR [ebp-0xe]
0x000005cb <+94>: sub esp,0x4
0x000005ce <+97>: push 0x10
0x000005d0 <+99>: push eax
0x000005d1 <+100>: lea eax,[ebx-0x191f]
0x000005d7 <+106>: push eax
0x000005d8 <+107>: call 0x3f0 <printf@plt>
0x000005dd <+112>: add esp,0x10
0x000005e0 <+115>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0xf]
0x000005e4 <+119>: sub esp,0x4
0x000005e7 <+122>: push 0x8
0x000005e9 <+124>: push eax
0x000005ea <+125>: lea eax,[ebx-0x190b]
0x000005f0 <+131>: push eax
0x000005f1 <+132>: call 0x3f0 <printf@plt>
0x000005f6 <+137>: add esp,0x10
0x000005f9 <+140>: sub esp,0xc
0x000005fc <+143>: lea eax,[ebx-0x18f7]
0x00000602 <+149>: push eax
0x00000603 <+150>: call 0x400 <puts@plt>
0x00000608 <+155>: add esp,0x10
0x0000060b <+158>: movsx edx,WORD PTR [ebp-0xe]
0x0000060f <+162>: movsx eax,BYTE PTR [ebp-0xf]
0x00000613 <+166>: add eax,edx
0x00000615 <+168>: sub esp,0x4
0x00000618 <+171>: push 0x20
0x0000061a <+173>: push eax
0x0000061b <+174>: lea eax,[ebx-0x18ea]
0x00000621 <+180>: push eax
0x00000622 <+181>: call 0x3f0 <printf@plt>
0x00000627 <+186>: add esp,0x10
0x0000062a <+189>: nop
0x0000062b <+190>: lea esp,[ebp-0x8]
0x0000062e <+193>: pop ecx
0x0000062f <+194>: pop ebx
0x00000630 <+195>: pop ebp
0x00000631 <+196>: lea esp,[ecx-0x4]
0x00000634 <+199>: ret
End of assembler dump.
在整数转换的过程中，有可能导致下面的错误：
- 损失值：转换为值的大小不能表示的一种类型
- 损失符号：从有符号类型转换为无符号类型，导致损失符号
漏洞多发函数
我们说过整数溢出要配合上其他类型的缺陷才能有用，下面的两个函数都有一个 size_t 类型的参数，常常被误用而产生整数溢出，接着就可能导致缓冲区溢出漏洞。
#include <string.h>
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
memcpy() 函数将 src 所指向的字符串中以 src 地址开始的前 n 个字节复制到 dest 所指的数组中，并返回 dest。
#include <string.h>
char *strncpy(char *dest, const char *src, size_t n);
strncpy() 函数从源 src 所指的内存地址的起始位置开始复制 n 个字节到目标 dest 所指的内存地址的起始位置中。
两个函数中都有一个类型为 size_t 的参数，它是无符号整型的 sizeof 运算符的结果。
typedef unsigned int size_t;
整数溢出示例
现在我们已经知道了整数溢出的原理和主要形式，下面我们先看几个简单示例，然后实际操作利用一个整数溢出漏洞。
示例
示例一，整数转换：
char buf[80];
void vulnerable() {
int len = read_int_from_network();
char *p = read_string_from_network();
if (len > 80) {
error("length too large: bad dog, no cookie for you!");
return;
}
memcpy(buf, p, len);
}
这个例子的问题在于，如果攻击者给 len 赋于了一个负数，则可以绕过 if 语句的检测，而执行到 memcpy() 的时候，由于第三个参数是 size_t 类型，负数 len 会被转换为一个无符号整型，它可能是一个非常大的正数，从而复制了大量的内容到 buf 中，引发了缓冲区溢出。
示例二，溢出：
void vulnerable() {
size_t len;
char *buf;
len = read_int_from_network();
buf = malloc(len + 5);
read(fd, buf, len);
...
}
这个例子看似避开了缓冲区溢出的问题，但是如果 len 过大，len+5 有可能发生溢出。比如说，在 x86-32 上，如果 len = 0xFFFFFFFF，则 len+5 = 0x00000004，这时 malloc() 只分配了 4 字节的内存区域，然后在里面写入大量的数据，缓冲区溢出也就发生了。
示例三，截断：
void main(int argc, char *argv[]) {
unsigned short int total;
total = strlen(argv[1]) + strlen(argv[2]) + 1;
char *buf = (char *)malloc(total);
strcpy(buf, argv[1]);
strcat(buf, argv[2]);
...
}
这个例子接受两个字符串类型的参数并计算它们的总长度，程序分配足够的内存来存储拼接后的字符串。首先将第一个字符串参数复制到缓冲区中，然后将第二个参数连接到尾部。如果攻击者提供的两个字符串总长度无法用 total 表示，则会发生截断，从而导致后面的缓冲区溢出。
实战
看了上面的示例，我们来真正利用一个整数溢出漏洞。