Sicheres C Programmieren in Embedded Systemen ARM II (ARM7TMDI [1] ) Wintersemester

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1 Sicheres C in Embedded Systemen ARM II (ARM7TMDI [1] ) Wintersemester Dipl. Ing. (FH) Ebrecht Roland, Infineon Technologies AG M.Eng (Electronic Systems) Güller Markus, Infineon Technologies AG Dipl. Inf. (FH) Klein Sebastian, Fujitsu Technology Solutions GmbH [1] ARM Cores

2 Agenda Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Puffer Überlauf Gegenmaßnahmen

3 Ziel der Vorlesung Agenda : Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Stack Überlauf Gegenmaßnahmen

4 Ziel der Vorlesung Verständnis wie Funktionsaufrufe auf ARM Plattform funktionieren Verständnis Puffer Überlauf und Gegenmaßnahmen

5 ARM Register Agenda : Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Stack Überlauf Gegenmaßnahmen

6 ARM Register I Zentrales Register File R0 R12 Benutzer Register (AAPCS) R13 Stack Zeiger R14 Link Register (LR) R15 Program Counter CPSR Current Program Status Register R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R15(PC) CPSR

7 User Mode Register File R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R15(PC) ARM Register II PC und SP Laufzeit Speicher Abbild Execution Environment ZI DATA (STACK) ZI DATA (.bss) RW DATA (.data) RO CODE (.text) CPSR

8 ARM Register III ARM Advanced Procedure Call Standard [2] Routinen können mit unterschiedlichen Tools kompiliert und assembliert werden Vertrag zwischen Caller und Callee Definiert Register (R0- R3) für Funktionsübergabe Parameter Definiert Register (R4 R11) für lokale Variablen [2] Procedure Call Standard for the ARM Architecture

9 Funktionsaufrufe III R0 R12 AAPCS Core Registers Register Synonym AAPCS Bedeutung R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R15(PC) a1 a2 a3 a4 v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 v8 IP R13(SP) R15(PC) Argument/Rückgabewert / Zwischen Register 1 Argument/Rückgabewert / Zwischen Register 2 Argument/Rückgabewert / Zwischen Register 3 Argument/Rückgabewert / Zwischen Register 4 Variablen Register 1 Variablen Register 2 Variablen Register 3 Variablen Register 4 Variablen Register 5 Platform Regisger (v6,sb) Variablen Register 7 Variablen Register 8 Intra Procedure Call Zwischen Register

10 ARM Modi Agenda : Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Puffer Überlauf Gegenmaßnahmen

11 ARM Modi I CPSR CPSR Standard Code läuft im System-User Mode Als Reaktion auf Exceptions wechselt CPU den Mode Exceptions sind z.b. Interrupts, Speicher Fehler und Software Interrupts Bei jedem Mode Wechsel Wird PC mit Exception Vector geladen Werden LR und SP Register ersetzt

12 ARM Modi II Register Übersicht R13(SP) R15(PC) System & User R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13(SP) R15(PC) FIQ R13(SP) R15(PC) Supervisor R13(SP) R15(PC) Abort R13(SP) R15(PC) IRQ R13(SP) R15(PC) Undefined R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12

13 Funktionsaufruf und Rücksprung Agenda : Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Puffer Überlauf Gegenmaßnahmen

14 Funktionsaufruf + Rücksprung I ARM CALL Befehl Caller (Aufrufende Funktion) Branch mit Link (BL) Instruktion BL Adresse (4MB) LR PC+4 (Setzen Rücksprung Adresse in LR) PC Adresse (Sprung zur Funktion) Calle (Aufgerufene Funktion) Rücksprung abhängig von lokalen Variablen und Leaf/Non Leaf Funktion

15 Funktionsaufruf + Rücksprung II Leaf Funktion Kein Lokalen Variablen Keine Stack Benutzung von func1 void func1 { PINSEL0 = 0x ; U1LCR = 0x83; } Caller Callee Stack func1 AUFRUF: BL func1 Nächster Befehl func1:.. BX R14 Return über LR(R14)

16 Funktionsaufruf + Rücksprung III Non Leaf Funktion und/oder Lokalen Register Variablen LR und Lokalen Register Variablen werden auf den Stack gesichert void func1 { char c: int i;. func2();. } Caller Callee Stack AUFRUF: BL func1 Nächster Befehl func1: STMDB R13!,{R4-R5,R14} ; PUSH. BL func2. LDMIA R13!,{R4-R5,PC} ; POP Return über Laden des PC vom Stack SP R5 R4

17 Funktionsaufruf + Rücksprung IV Lokale Stack Variablen werden angelegt Lokales Array auf dem Stack Caller Callee void func1(void) { char c: int i; char Buffer[64];. func2(); } Stack AUFRUF: BL func1 Nächster Befehl func1: STMDB R13!,{R4-R5,R14}; PUSH SUB R13,R13,#0x BL func2. LDMIA R13!,{R4-R5,PC} ; POP SP R5 R4 Buffer[i] Buffer{0] Angreifer kontrolliert Stack + Rücksprungadresse

18 Puffer Überlauf Agenda : Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Puffer Überlauf Gegenmaßnahmen

19 Puffer Überlauf I Typen [3] Stack Smashing Angriff überschreibt die Rücksprung Adresse auf dem Stack Funktionszeiger Angriffe überschreiben die Adresse eines Funktionszeigers auf dem Stack (lokal) oder im Heap (shared) [3] Defending Embedded Systems Against Buffer Overflow via Hardware/ Software

20 Puffer Überlauf II Stack Bereichs Rechte Ausführbar (executable) Angriffscode kann im Stack ausgeführt werden Nicht ausführbar (non-executable) [4] Angriffscode kann nicht im Stack ausgeführt werden Funktionsaufruf von C Library/ System Funktionen mit sicherheitskritischen Parametern (z.b. Ret2LibC [5] ) [4] Non-Executable Stack ARM Exploitation [5] Bypassing non-executable-stack during exploitation using return-to-libc

21 Puffer Überlauf III ARM basiertes geschlossenes System Black Box Keine Code Ausführungsrechte Applikations Code + C Runtime Library (z.b. Realview C Standard Library oder Realview micro Library, ) Attack Surface: Lokale I/O Schnittstelle (UART) Typische Angriffe: Code auslesen, laden, Daten auslesen Voraussetzung: Datenverarbeitung beinhaltet Schwachstelle

22 Puffer Überlauf IV ARM basiertes offenes System Code Ausführungsrechte für lokale Angriffe User Applikationen + OS Kernel (z.b. Embedded Linux) + C Runtime Library Attack Surface: Remote, Netzwerk Interface Typische Angriffe: Remotes starten einer shell (z.b. über netcat) Voraussetzung: Remote Netzwerk Software beinhaltet Schwachstelle Alphanumeric Shellcodes [6] [6] Alphanumeric ARM Shellcodes

23 Puffer Überlauf V Voraussetzung Vulnerable Funktion Stack char c: int i; char rgbbuffer[64]; do { c = getkey(); rgbbuffer[i++] = c; } while (c!= 'q'); SP R5 R4 Buffer[64] Buffer{0] Überschreiben

24 Puffer Überlauf VI Geschlossenes System Executable Stack 1. Angreifer kontrolliert den Inhalt des Puffers 2. Angreifer generiert Angriffs Code 3. Offset-X für Rücksprung Adresse herausfinden 4. Addr-X für ausführbaren Code herausfinden 5. Senden der Payload über I/O Interface Addr-X Stack Angriffs Code Ende Angriffs Code Anfang R5 R4 Buffer[7] Offset-X Buffer{0] Offset-X Payload AAAAAAAA BBBB BBBB Addr-X Angriffs Code

25 Gegenmaßnahmen Agenda : Ziel der Vorlesung ARM Register ARM Modi Funktionsaufruf und Rücksprung Puffer Überlauf Gegenmaßnahmen

26 Gegenmaßnahmen I Statische Checks Code Analyse Werkzeuge Dynamische Checks! Grenzwert Überprüfung im Code Test Strategie (Fuzz Testing) Data Execution Prevention Stack nicht ausführbar (MPU/ MMU) Address Space Layout Randomization (ASLR) Stack Guard (Canary/ Cookies) Zufallswert nach Rücksprungadresse/ Framepointer Compiler Switch Options Multistack [7] [7] Efficient and Effective Buffer Overflow Protection on ARM Processors

27 Fragen oder Anregungen?

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