雪城大学计算机与网络安全讲义

五、竞态条件

原文：Race Condition Vulnerability

译者：飞龙

1 竞态条件漏洞

下面的代码段属于某个特权程序（即 Set-UID 程序），它使用 Root 权限运行。
```
1: if (!access("/tmp/X", W_OK)) { 
2: /* the real user ID has access right */ 
3: f = open("/tmp/X", O_WRITE); 4
: write_to_file(f); 
5: } 
6: else { 
7: /* the real user ID does not have access right */ 
8: fprintf(stderr, "Permission denied\n"); 
9: }
```
- access系统该调用检查了真实 UID 或者 GID 是否拥有访问文件的权限，有的话返回 0。在代表真实 UID （而不是有效 UID）访问文件之前，该系统调用通常由 Set-UID 程序使用。
- open系统调用也执行访问控制，但是仅仅检查有效 UID 或 GID 是否拥有访问文件的权限。
- 上面的程序想要写入文件/tmp/X。在这么做之前，它要确保，文件确实由真实 UID 写入。如果没有这种检查，程序可以写入这个文件，无论真实 UID 可不可以写入它，因为程序使用 Root 权限运行（即open所检查的有效 UID 是 Root）。
假设上面的程序执行的非常慢。执行程序中的每行语句需要一分钟。请思考下列问题：
- 你可以使用这个程序来覆盖其它文件，例如/etc/passwd嘛？
- 你不能修改该程序，但是你可以利用每两条语句之前的的一分钟。
- /tmp目录的权限为rwxrwxrwx，这允许任何用户在里面创建文件或链接。
- 提示：/tmp/X不需要是真实文件，他可以是符号链接。
攻击策略：
- 如果我们让/tmp/X在第一行之前打印/etc/passwd，access调用就会发现，真实 UID 没有权限来修改/etc/passwd。因此，执行流会来到else分支。在第一行之前，/tmp/X必须是一个能被真实 UID 写入的文件。
- 显然，如果我们在第一行之后不做任何事情，/tmp/X会打开，攻击者不能获得任何东西。
- 让我们专注于第一行和第三行之前的时间间隔。由于我们假设，程序执行得很慢。我们在第一行之后，第三行之前有一分钟的间隔。使用这个时间间隔，我们可以删掉/tmp/X并且使用相同名称创建符号链接。并使其指向/etc/passwd。
- 如果我们这么做，会发生什么？
  - 通过遵循符号链接，程序使用open来打开/etc/passwd。
  - open系统调用只检查有效 UID 或 GID 是否可以访问文件。由于这是个 Set-UID Root 程序，有效 UID 是 Root，它可以读写/etc/passwd。
  - 因此，第四行实际上会写入文件/etc/passwd。如果写入文件的内容也可以由用户控制，攻击者就可以修改密码文件，并且最终获得 Root 权限。如果内容不能由用户控制，攻击者可以破坏密码文件，组织其他用户登入系统。
回到现实：这个程序执行得很快，并且我们没有一分钟时间间隔。我们可以做什么？
竞态条件攻击
- 使/tmp/X在访问和打开调用中，表现为两个文件。
- 在access(/tmp/X, W_OK)之前，/tmp/X就是/tmp/X。
- 在access(/tmp/X, W_OK)之后，将/tmp/X修改为/etc/passwd。
- 如何实现？
  - 在两个调用之间只有很短的时间间隔。
  - 检查和使用之间的间隔：TOCTOU
  - CPU 可能在access后进行上下文切换，之后执行其它进程。
  - 如果攻击进程在上下文切换之间，得到了机会来执行这种攻击，攻击就会成功。
  - 因为我们不能保证，第一行和第三行之间存在上下文切换，即使攻击程序在上下文切换期间，得到执行机会，攻击也可能失败。但是，如果执行一次不成功，我们可以多次执行攻击和目标程序。
提高成功率：竞态条件攻击的最关键步骤，出现在 TOCTOU 间隔中。由于我们不能修改漏洞程序，我们可以做的只有让我们的攻击程序和目标程序一起运行。并希望链接的时机正好就在间隔之内。不幸的是，我们不能完成完美的时间规划。因此，攻击是否成功是个概率。攻击成功的概率可能很低，如果间隔很小。我们如何提升概率呢？
- 通过执行多个 CPU 密集的程序来拖慢计算机。
- 创建多个攻击进程。
另一个例子（Set-UID 程序）：
```
file = "/tmp/X"; 
fileExist = check_file_existence(file); 
if (fileExist == FALSE){ 
    // The file does not exist, create it. 
    f = open(file, O_CREAT); 
}
```
- 在 Unix 中，我们使用open系统调用来创建文件。
- open(file, O_CREAT)在文件不存在时创建文件，如果文件存在，它只会打开文件。
为什么存在漏洞？
- 竞态条件：使文件在检查期间不存在，并使其在检查之后指向/etc/passwd。

2 预防措施

方式
- 将检查和使用操作转为一条原子操作。如果我们可以使用一个系统调用来完成这种检查和使用的目的，我们就没有竞态条件。在多数操作系统中，系统条用不可以被另一个用户空间的进程大端，因此，在系统调用期间不可能有上下文切换。
- 在检查和使用操作期间，确保相同文件名指向相同文件（也就是相同的 inode）。
- 使赢得竞态条件的可能性非常低。
- 如果不是必要，不要使用太多的权限。
使用原子操作
- 如果系统调用可以在一条调用中执行检查和使用操作，它就是安全的，因为系统调用中不会发生上下文切换。
- open(file, O_CREAT | O_EXCL)可以在一条原子指令中检查和打开文件。如果文件已经存在，它就会返回错误，否则它会创建文件。mkstemp函数会按照模板生成一个唯一的临时文件名称。这个函数使用O_EXCL来使用open。来防止竞态条件问题。
- 与之类似，我们可以为open创建另一个选项，来一起执行access和open。虽然这种选项不存在于 POSIX 标准中，但是它很容易实现。也就是，我们可以定义一个选项叫做O_REAL_USER_ID。当我们使用open调用open(file, O WRITE | O REAL USER ID)，我们让open检查有效和真实 UID，并仅当两个 UID 都有权限打开文件时，才打开文件。实际上，让 POSIX 标准委员会接收这个新的选项并不是很容易。
检查-使用-再检查方式
- lstat(file, &result)可以获取文件状态。如果文件是个符号链接，它返回链接的状态（不是链接指向的文件）。在 TOCTOW 之前，我们可以使用它来检查文件状态。接着在间隔之后，执行另一个检查。如果结果不同，我们就检测到了竞态条件。让我们看看下面的解决方案：
```
    struct stat statBefore, statAfter;

1:  lstat("/tmp/X", &statBefore);

2:  if (!access("/tmp/X", O_RDWR)) { /* the real UID has access right */ 
3:      f = open("/tmp/X", O_RDWR); 
4:      lstat("/tmp/X", &statAfter);

5:      if (statAfter.st_ino == statBefore.st_ino) 
6:      { /* the I-node is still the same */ 
7:          Write_to_file(f) 
8:      } 
9:      else perror("Race Condition Attacks!"); 
10: } 
11: else fprintf(stderr, "Permission denied\n");
```
- 但是，上面的解决方案不能工作（open和第二个`lstat之间存在竞态条件漏洞）。为了利用这个漏洞，攻击者需要执行另个静态条件攻击，第一个在第二行和第三行之间，另一个在第三行和第四行之间。虽然赢得两次竞争的可能性低于前面的情况，但还是可能的。
- 为了修复漏洞，我们打算在文件描述符f上使用lstat，而不是在文件名称上。虽然lstat不能这样做，但是fstat可以。
```
    #include <sys/types.h> 
    #include <sys/stat.h> 
    #include <fcntl.h> 
    #include <stdio.h>

    int main() { 
        struct stat statBefore, statAfter;

1:       lstat("/tmp/X", &statBefore); 
2:      if (!access("/tmp/X", O_RDWR)) { /* the real UID has access right */ 
3:          int f = open("/tmp/X", O_RDWR); 
4:          fstat(f, &statAfter); 
5:          if (statAfter.st_ino == statBefore.st_ino) 
6:          { /* the I-node is still the same */ 
7:              write_to_file(f); 
8:          } 
9:          else perror("Race Condition Attacks!");
10:     } 
11:     else fprintf(stderr, "Permission denied\n"); 
12: }
```
- 问题：lstat和fstat之间有没有竞态条件？如果在第一行使用符号链接（例如到/etc/shadow）。之后在第二行之前，快速切换到/tmp/X，之后在第三行之前再次快速切换会符号链接呢？
  
  答案：这个攻击是不可行的。函数调用lstat("/tmp/X",...)返回链接的状态，如果/tmp/X是个符号链接，而不是链接所指向文件的状态。换句话说，当/tnp/X指向了/etc/shadow，由lstat(/tmp/X,...)返回的 inode 就是/tmp/X的 inode，但是由fstat(f, ...)返回的 unode 是文件的 inode（这里是/etc/shadow的 inode）。即使/tmp/X指向了/etc/shadow，这两个 inode 是不同的。
- 要注意：所有这类调用都有两个版本，一个用于文件名，另一个用于文件描述符（思考：如果access也可以用于文件描述符，解法会简单很多）。

检查-使用-重复方式：在几个迭代内重复访问和打开。在下面的示例中，攻击者需要赢得五个竞态条件（1~2，2~3，3~4，4~5，5~6）：

1:  if (access("tmp/X", O_RDWR)) goto error handling 
2:  else f1 = open("/tmp/X", O_RDWR); 
3:  if (access("tmp/X", O_RDWR)) goto error handling 
4:  else f2 = open("/tmp/X", O_RDWR); 
5:  if (access("tmp/X", O_RDWR)) goto error handling 
6:  else f3 = open("/tmp/X", O_RDWR);

    // Check whether f1, f2, and f3 has the same i-node (using fstat)

基于最小权限原则：
- 在使用access和open的程序中，我们知道open比我们想要的更加强大（它只检查有效 UID），这就是我们需要使用access来确保我们没有滥用权限的原因。我们从竞态条件攻击中得到的启示，就是这种检查不是始终可靠。
- 另一个防止程序滥用权限的方法，就是不要给予程序权限。这就是最小权限原则的本质：如果我们暂时不需要这个权限，我们应该禁用他。如果我们永远都不需要这个权限，我们应该移除它。没有了权限，即使程序犯了一些错误，损失也会降低。
- 在 Unix 中，我们可以使用seteuid或者setuid系统调用，来开启、禁用或删除权限。
```
    /* disable the root privilege */ 
    #include <unistd.h> 
    #include <sys/types.h>
    uid_t real_uid = getuid(); // get real user id
    uid_t effective_uid = geteuid(); // get effective user id
1:  seteuid (real_uid);

2:  f = open("/tmp/X", O_WRITE); 
3:  if (f != -1) 
4:  write_to_file(f); 
5:  else 
6:  fprintf(stderr, "Permission denied\n");

    /* if needed, enable the root privilege */ 
7:  seteuid (effective_uid);
```

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1 竞态条件漏洞

2 预防措施

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