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/passwdaccess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。
    • access(/tmp/X, W_OK)之前,/tmp/X就是/tmp/X
    • 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accessopen。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:lstatfstat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accessopen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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