在IAR Embedded Workbench開發工具中如何實現堆棧保護來提高代碼的安全性

隨著越來越多的嵌入式產品連接到外部網絡，嵌入式產品的信息安全性（Security）越來越多地被人們關注。其中既包括直接連接到外部網絡，比如通過Wi-Fi連接；也包括間接連接到外部網絡，比如汽車中的ECU通過CAN總線與T-box相連，而T-box通過移動網絡可以連接到外部網絡。特別是對于一些高功能安全性（Safety）要求的產品，如工業，汽車，醫療產品等，信息安全成為了功能安全的前提（There Is No Safety Without Security）。

在C/C++中，堆棧緩存溢出（Stack Buffer Overflow）是一種常見的錯誤：當程序往堆棧緩存（Stack Buffer）寫數據時，由于堆棧緩存通常采用固定長度，如果需要寫的數據長度超過堆棧緩存的長度時，就會造成堆棧緩存溢出。堆棧緩存溢出會覆蓋堆棧緩存臨近的堆棧數據，其中可能包含函數的返回地址，就會造成函數返回時異常。如果堆棧緩存溢出是攻擊者利用代碼的漏洞蓄意造成的，它就稱為堆棧粉碎（Stack Smashing）。堆棧粉碎是常用的一種攻擊手段。

堆棧金絲雀（Stack Canaries）, 因其類似于在煤礦中使用金絲雀來感測瓦斯等氣體而得名，它可以用于在函數返回之前檢測堆棧緩存溢出來實現堆棧保護(Stack Protection)，從而提高代碼的安全性。

相對于很多更加關注發揮器件性能的原廠開發工具，一些在行業中被廣泛使用的商用開發工具更加關注性能和安全性的平衡性和完整性。本文以過去數十年來在行業中被廣泛采用的商用工具鏈IAR Embedded Workbench為例，介紹如何在工具中實現堆棧保護，從而提高代碼的安全性。

堆棧粉碎

在C/C++中，堆棧（Stack）用于保存程序正常運行（比如函數調用或者中斷搶占）的臨時數據，可能包含如下數據：

●   沒有存儲在寄存器中的函數參數和局部變量

●   沒有存儲在寄存器中的函數返回值和函數返回地址

●   CPU和寄存器狀態

由于堆棧保存的是保證程序正常運行的臨時數據，堆棧緩存溢出會覆蓋堆棧緩存臨近的堆棧數據，這些數據可能包含函數的返回地址，如果發生時一般會造成程序運行異常。攻擊者經常利用這一點來進行堆棧粉碎攻擊。

下面通過一個簡單的例子來說明堆棧粉碎攻擊：

void foo(char *bar)

{

char c[12];

strcpy(c, bar);  // no bounds checking

}

foo()函數將函數參數輸入復制到本地堆棧變量c。如下圖B所示：當函數參數輸入小于12個字符時，foo()函數會正常工作。如下圖C所示：當函數參數輸入大于11個字符時，foo()函數會覆蓋本地堆棧的數據，將函數返回地址覆蓋為0x80C03508，當foo()函數返回時，會執行地址0x80C03508對應的代碼A，代碼A有可能包含攻擊者提供的shell代碼，從而使攻擊者獲得操作權限。

A數據復制前

B "hello" 作為函數參數輸入

C "AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAx08x35xC0x80"作為函數參數輸入

圖：堆棧粉碎示例

堆棧保護

因其功能類似于在煤礦中用來發現瓦斯的金絲雀而得名的堆棧金絲雀（Stack Canaries），可以用于在函數返回執行惡意代碼之前檢測堆棧緩存溢出。其檢測原理是：當調用函數時，將需要保存的臨時數據保存到堆棧，然后放置一個堆棧金絲雀,當函數返回時，檢查堆棧金絲雀的值是否發生改變；如果發生改變，說明堆棧已被篡改，否則說明堆棧沒有被篡改。

下面介紹如何在IAR Embedded Workbench這種廣受歡迎的商用工具鏈中實現堆棧保護，從而提高代碼的安全性：

在IAR Embedded Workbench中，會使用啟發模式（Heuristic）來決定函數是否需要堆棧保護: 如果函數局部變量包含數組類型或者結構體成員包含數組類型，或者局部變量的地址在該函數外被使用，該函數需要堆棧保護。

IAR Embedded Workbench安裝目錄下面srclibruntime包含stack_protection.c，里面包含了__stack_chk_guard變量和__stack_chk_fail函數，可以作為模板使用：其中__stack_chk_guard變量就是堆棧金絲雀的值，在函數返回時，如果檢測到堆棧金絲雀的值被篡改，就會調用__stack_chk_fail函數。

1.將IAR Embedded Workbench安裝目錄下面srclibruntime文件夾的stack_protection.c拷貝并添加到工程。

2.在IAR Embedded Workbench中啟用堆棧保護。

3.在代碼中聲明堆棧保護相關的__stack_chk_guard變量和__stack_chk_fail函數。

extern uint32_t __stack_chk_guard;

__interwork __nounwind __noreturn void __stack_chk_fail(void);

4.編譯工程。編譯器會在需要堆棧保護的函數中添加如下操作：在函數入口處先入棧（Push），然后再額外保存堆棧金絲雀，具體的值用戶可以在stack_protection.c中更改__stack_chk_guard；在函數出口，會檢測堆棧金絲雀的值是否還是__stack_chk_guard，如果不是，說明堆棧被篡改，會調用__stack_chk_fail函數。

調試

將斷點打到需要堆棧保護的函數反匯編（Disassembly）入口，暫停后發現編譯器在函數入口處入棧操作之后額外將堆棧金絲雀保存：

在函數出口處打斷點，然后運行程序，在函數返回時，會先檢測堆棧金絲雀的值是否還是__stack_chk_guard，如果不是，說明堆棧被篡改，會調用__stack_chk_fail函數。

改變堆棧金絲雀的值使之與__stack_chk_guard不一致，然后運行程序，函數返回時將會調用__stack_chk_fail函數：

總結

本文主要介紹了堆棧粉碎攻擊如何利用堆棧緩存溢出來影響代碼的安全性。通過在IAR Embedded Workbench中實現堆棧保護可以檢測堆棧的完整性，從而提高代碼的安全性。

參考文獻：

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Stack_buffer_overflow

2.https://cwe.mitre.org/data/definitions/121.html

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Buffer_overflow_protection

4.https://www.iar.com/knowledge/learn/programming/stack-protection-in-iar-embedded-workbench/

5.IAR C/C++ Development Guide （Stack protection）