Systemsicherheit/Assignment 5 - Software Security - Teil 1/abgabe.tex

\documentclass[11pt]{scrartcl}

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\pagestyle{scrheadings} 
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\usepackage{tikz}

\definecolor{keyword}{rgb}{0.0, 0.0, 1.0}
\definecolor{comment}{rgb}{0.5, 0.5, 0.5}
\definecolor{string}{rgb}{0.6, 0.1, 0.1}
\definecolor{background}{rgb}{0.95, 0.95, 0.95}

\lstset{
    language=bash,
    backgroundcolor=\color{background},
    basicstyle=\ttfamily\small,
    keywordstyle=\color{keyword}\bfseries,
    commentstyle=\color{comment}\itshape,
    stringstyle=\color{string},
    tabsize=2,
    showspaces=false,
    showstringspaces=false,
    frame=single,
    numbers=left,
    numberstyle=\tiny\color{gray},
    breaklines=true,
    captionpos=b,
    escapeinside={(*@}{@*)},
}

\usetikzlibrary{shapes, arrows, calc, automata, arrows.meta, positioning,decorations.pathmorphing,backgrounds,decorations.markings,decorations.pathreplacing, graphs}
\usetikzlibrary{matrix,shapes,arrows,positioning,chains, calc}
\usetikzlibrary{arrows.meta,matrix,shapes,arrows,positioning,chains, calc}

\tikzset{% 
    initial text={},
    state/.style={circle, draw, minimum size=.6cm},
    every initial by arrow/.style={-stealth},
    every loop/.append style={-stealth},
    >=stealth
}

\ohead{\parbox[t]{.5\linewidth}{\raggedleft \theauthor}}
\ihead{System Security, SoSe 24, Assignment \thesheetnr}

% Sheet number
\newcounter{sheetnr}
\newcommand{\sheetnr}[1]{\setcounter{sheetnr}{#1}}

% Exercise environments
\newenvironment{exercise}[2][]{\section*{#2\expandafter\ifstrempty\expandafter{#1}{}{\ #1}}}{}
\newenvironment{subexercises}{\begin{enumerate}[a), font=\bfseries, wide, labelindent=0pt]}{\end{enumerate}}
\newenvironment{subsubexercises}{\begin{enumerate}[i), font=\bfseries, wide, labelindent=0pt]}{\end{enumerate}}

% Makros
% MACRO for whole diagram 
% #1: total width of diagram 
% #2: total height of diagram 
% #3: nodes, paths, ... 
\newcommand\protocolflow[3]{ 
\begin{center} 
\begin{tikzpicture}[x=#1cm,y=#2cm] 
#3 
\end{tikzpicture} 
\end{center} 
}
% MACRO for path line shortening 
% #1: start coordinate 
% #2: target coordinate 
% #3: text above arrow 
\newcommand{\package}[3]{ 
\path[*-{latex[width=5pt, length=5pt]}] (#1) edge node [above] {#3} (#2); 
}

% Anpassen --> %
\author{Benjamin Haschka\\Sascha Tommasone\\Paul Zinselmeyer}
\sheetnr{5}
% <-- Anpassen %
\begin{document}

\begin{exercise}[Analyse von Binärdaten]{1}
    \begin{subexercises}
        \item Der Output von \texttt{objdump} mit der \texttt{secret} Funktion extrahiert.
            \begin{lstlisting}[language=bash]
user@intro:~$ objdump -d intro | awk -v RS= '/^[[:xdigit:]]+ <secret>/'
0000120d <secret>:
    120d:	f3 0f 1e fb          	endbr32
    1211:	55                   	push   %ebp
    1212:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
    1214:	8b 45 08             	mov    0x8(%ebp),%eax
    1217:	8d 50 ff             	lea    -0x1(%eax),%edx
    121a:	89 d0                	mov    %edx,%eax
    121c:	01 c0                	add    %eax,%eax
    121e:	01 d0                	add    %edx,%eax
    1220:	83 c0 05             	add    $0x5,%eax
    1223:	5d                   	pop    %ebp
    1224:	c3                   	ret
            \end{lstlisting}

        \item Man kann durch den Command \lstinline[language=bash]{gdb -x commands} gdb mit der Datei \texttt{commands} ausgeben.
        
        \begin{figure}[H]
            \begin{lstlisting}[]
# Lines starting with a '#' symbol are comments
# Do not remove this intial line; it will disable pagination
set pagination off

# TODO: your commands go here
# read in the intro binary
file intro
# breakpoint at secret
break secret
# run program with paramter value 5
r 5
# read eax register
i r eax
stepi 6
# after 5. instruction
i r eax
stepi
# after 6. instruction
i r eax
stepi
# after 7. instruction
i r eax
stepi
# after 8. instruction
i r eax

# continue program to end
continue
# END of your commands

# Do not remove the final quit; it will exit GDB automatically
quit
                            \end{lstlisting}
            \caption[short]{Inhalt der command Datei}
        \end{figure}

        Dabei wird zuerst die Datei \texttt{intro} in gdb eingelesen. 
        Anschließend wird ein Breakpoint bei der Funktion secret gesetzt.
        Dann wird das Programm mit dem Parameter gestartet und, wie in der Aufgabe gewollt, wird das Register eax an verschiedenen Stellen ausgelesen.
        Der Ausgabewert der Funktion ist dann 17.
        \\
        
        \begin{lstlisting}[language=bash]
user@intro:~$ gdb -x commands
GNU gdb (Ubuntu 9.2-0ubuntu1~20.04.1) 9.2
Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.
Type "show copying" and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "x86_64-linux-gnu".
Type "show configuration" for configuration details.
For bug reporting instructions, please see:
<http://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>.
Find the GDB manual and other documentation resources online at:
    <http://www.gnu.org/software/gdb/documentation/>.

For help, type "help".
Type "apropos word" to search for commands related to "word".
Breakpoint 1 at 0x120d: file intro.c, line 5.

Breakpoint 1, secret (num=5) at intro.c:5
5	intro.c: No such file or directory.
eax            0x5                 5
0x5655621c	6	in intro.c
eax            0x4                 4
0x5655621e	6	in intro.c
eax            0x8                 8
6	in intro.c
eax            0xc                 12
7	in intro.c
eax            0x11                17
[Inferior 1 (process 630) exited normally]
        \end{lstlisting}

        \item Für die Herleitung der Funktion werden zuerst ein paar Probewerte genommen.
        
        \begin{align*}
            f(0) &= 2\\
            f(3) &= 11\\
            f(4) &= 14\\
            f(5) &= 17\\
            f(7) &= 23\\
        \end{align*}

        Die Funktion $f(n)$ muss eine konstante 2 haben, da $f(0) = 2$.
        Anschließend gehe man davon aus, dass $f(n)$ linear sei. Dann müsste $f(n) = an + 2$ sein.
        Das gilt genau dann, wenn der ggT aller Paare $(n, f(n) - 2)$ für jeden Wert gleich ist. Das gilt mit $\forall n \in \mathbb{N} : ggT(n, f(n) - 2) = 3$.
        Also:
    

        \begin{align*}
            f(n) = 3n + 2
        \end{align*}
        \newpage
        \item Das Programm liefert den Output
        \begin{lstlisting}[language=bash]
user@intro:~$ readelf -S intro
There are 36 section headers, starting at offset 0x413c:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .interp           PROGBITS        000001b4 0001b4 000013 00   A  0   0  1
  [ 2] .note.gnu.build-i NOTE            000001c8 0001c8 000024 00   A  0   0  4
  [ 3] .note.gnu.propert NOTE            000001ec 0001ec 00001c 00   A  0   0  4
  [ 4] .note.ABI-tag     NOTE            00000208 000208 000020 00   A  0   0  4
  [ 5] .gnu.hash         GNU_HASH        00000228 000228 000020 04   A  6   0  4
  [ 6] .dynsym           DYNSYM          00000248 000248 0000a0 10   A  7   1  4
  [ 7] .dynstr           STRTAB          000002e8 0002e8 0000a7 00   A  0   0  1
  [ 8] .gnu.version      VERSYM          00000390 000390 000014 02   A  6   0  2
  [ 9] .gnu.version_r    VERNEED         000003a4 0003a4 000030 00   A  7   1  4
  [10] .rel.dyn          REL             000003d4 0003d4 000060 08   A  6   0  4
  [11] .rel.plt          REL             00000434 000434 000020 08  AI  6  24  4
  [12] .init             PROGBITS        00001000 001000 000024 00  AX  0   0  4
  [13] .plt              PROGBITS        00001030 001030 000050 04  AX  0   0 16
  [14] .plt.got          PROGBITS        00001080 001080 000010 10  AX  0   0 16
  [15] .plt.sec          PROGBITS        00001090 001090 000040 10  AX  0   0 16
  [16] .text             PROGBITS        000010d0 0010d0 000249 00  AX  0   0 16
  [17] .fini             PROGBITS        0000131c 00131c 000018 00  AX  0   0  4
  [18] .rodata           PROGBITS        00002000 002000 00001c 00   A  0   0  4
  [19] .eh_frame_hdr     PROGBITS        0000201c 00201c 000054 00   A  0   0  4
  [20] .eh_frame         PROGBITS        00002070 002070 00013c 00   A  0   0  4
  [21] .init_array       INIT_ARRAY      00003ec8 002ec8 000004 04  WA  0   0  4
  [22] .fini_array       FINI_ARRAY      00003ecc 002ecc 000004 04  WA  0   0  4
  [23] .dynamic          DYNAMIC         00003ed0 002ed0 000100 08  WA  7   0  4
  [24] .got              PROGBITS        00003fd0 002fd0 000030 04  WA  0   0  4
  [25] .data             PROGBITS        00004000 003000 000008 00  WA  0   0  4
  [26] .bss              NOBITS          00004008 003008 000004 00  WA  0   0  1
  [27] .comment          PROGBITS        00000000 003008 00002b 01  MS  0   0  1
  [28] .debug_aranges    PROGBITS        00000000 003033 000020 00      0   0  1
  [29] .debug_info       PROGBITS        00000000 003053 000369 00      0   0  1
  [30] .debug_abbrev     PROGBITS        00000000 0033bc 00011f 00      0   0  1
  [31] .debug_line       PROGBITS        00000000 0034db 00010a 00      0   0  1
  [32] .debug_str        PROGBITS        00000000 0035e5 0002b9 01  MS  0   0  1
  [33] .symtab           SYMTAB          00000000 0038a0 0004d0 10     34  51  4
  [34] .strtab           STRTAB          00000000 003d70 000271 00      0   0  1
  [35] .shstrtab         STRTAB          00000000 003fe1 000158 00      0   0  1
        \end{lstlisting}

        \item Die in dem Code angegebenen Labels können wie folgt eingeteilt werden:
        \begin{enumerate}[<A>:]
            \item Die statisch initialisierte Variable wird in der Section .data gespeichert. \\
            
            \textbf{Grund:}
            "This section  holds  initialized data that contribute to the program\'s memory image. This section is of type SHT\_PROGBITS. The attribute types are SHF\_ALLOC and SHF\_WRITE."\footnote[1]{Manual page elf(5)}
            
            \item Die statisch nicht initialisierte Variable wird in der Section .bss gespeichert. \\

            \textbf{Grund:} 
            "This section holds uninitialized data that contributes to the program\'s memory image. By definition, the system initializes the data with zeros when the program begins to run. This section is of type SHT\_NOBITS. The attribute types are SHF\_ALLOC and SHF\_WRITE."\footnotemark[1]

            \item Ausführbare Code wird in der Section .text gespeichert. \\

            \textbf{Grund:}
            "This section holds the "text", or executable instructions, of a program.  This section is of type SHT\_PROGBITS.  The attributes used are SHF\_ALLOC and SHF\_EXECINSTR."\footnotemark[1]

            \item Lokale Variablen werden auf dem Stack gespeichert.
            \item Lokale Variablen werden auf dem Stack gespeichert.
        \end{enumerate}

    \end{subexercises}
\end{exercise}

\begin{exercise}[Crackme]{2}
    Die Funktion \lstinline{verify_key} leitet das Passwort aus einem geheimen Schlüssel ab, indem der ASCII-Wert jedes Zeichens, abhängig von dessen Position, verändert wird.
    Dem ASCII-Wert jedes Zeichens wird der doppelte Positionswert, bei 0 startend, abgezogen.

    Die Funktion gibt den Wert \lstinline{1} zurück, falls das abgeleitete Passwort mit der konstanten Zeichenkette \lstinline{MMNNQ} übereinstimmt.
    Andernfalls wird der Wert \lstinline{0} zurückgegeben.
\end{exercise}

\begin{exercise}[System Calls und Shellcode]{3}
\begin{subexercises}
\item Ein Linux-Syscall auf der x86-Architektur ist als i386-Architektur in \lstinline{syscall(2)} der Linux Manpages spezifiziert.
    Dabei wird die Zahlenkennung des Syscalls in Register eax übergeben.
    Bis zu 6 Argumente können in den Registern \lstinline{ebx}, \lstinline{ecx}, \lstinline{edx}, \lstinline{esi}, \lstinline{edi} und \lstinline{ebp} übergeben werden.
    Mit dem Aufruf der Instruktion \lstinline{int $0x80} wird der Syscall ausgelöst und der Syscall-Handler im Kernel durch Auslösen eines Interrupts ausgeführt.
    Ausgaben des Syscalls werden in den Registern eax und edx zurückgegeben.
\end{subexercises}
\end{exercise}

\lstset{
    language=C,
    basicstyle=\ttfamily\footnotesize,
    keywordstyle=\color{blue},
    commentstyle=\color{gray},
    stringstyle=\color{red},
    numbers=left,
    numberstyle=\tiny\color{gray},
    stepnumber=1,
    numbersep=5pt,
    backgroundcolor=\color{white},
    showspaces=false,
    showstringspaces=false,
    showtabs=false,
    frame=single,
    tabsize=4,
    captionpos=b,
    breaklines=true,
    breakatwhitespace=false,
    escapeinside={\%*}{*)},
    morekeywords={uint32_t, uint16_t, uint8_t} % Add keywords here
}

\begin{exercise}[Data-Only Attack]{4}
\begin{subexercises}
    \item Im folgenden einmal die ursprüngliche und die gehärtete Funktion.
    
    \begin{lstlisting}[caption={check\_authentication}, label={lst:check_authentication}]
int check_authentication(char *password) {
    int auth_flag = 0;
    char password_buffer[12];
    
    strcpy (password_buffer, password);
    
    if(strcmp(password_buffer, "swordfish") == 0)
        auth_flag = 1;
        
    return auth_flag;
}
    \end{lstlisting}

    \begin{lstlisting}[caption={hardened check\_authentication}, label={lst:hardened_check_authentication}]
int check_authentication(char *password) {
    char x = 0, y = 0, z = 0;
    char password_buffer[12];
    
    strcpy(password_buffer, password);
    
    if(strcmp(password_buffer, "swordfish") == 0) {
        x = 0x21;
        y = 0x6b;
        z = 0x4f;
    }
    
    int auth_flag = 0;

    if((x == 0x21) && (y == 0x6b) && (z == 0x4f)) {
        auth_flag = 1;
    }

    return auth_flag;
}
    \end{lstlisting}

    Die gehärtete Funktion deklariert \texttt{auth\_flag} nicht mehr als Erstes innerhalb der Funktion. Stattdessen werden zunächst drei Variablen vom Typ \texttt{char} mit dem Wert 0 initialisiert. In der IF-Abfrage, in der das Passwort mit dem String \texttt{swordfish} verglichen wird, wird bei übereinstimmendem Passwort nicht mehr direkt \texttt{auth\_flag} auf 1 gesetzt. Stattdessen erhalten die drei zuvor deklarierten Variablen spezifische Werte. Anschließend wird \texttt{auth\_flag} mit 0 initialisiert. In einer zweiten IF-Abfrage wird überprüft, ob die drei Variablen die Werte aufweisen, die sie bei korrektem Passwort haben sollten. Falls dies der Fall ist, wird \texttt{auth\_flag} auf 1 gesetzt. Zum Abschluss wird \texttt{auth\_flag} zurückgegeben. Die nicht gehärtete Funktion, setzt direkt nach dem Vergleich den Rückgabewert, falls das Passwort korrekt ist, auf 1. Danach wird dieser zurückgegeben.

    Da die 3 Variablen vor dem \texttt{password\_buffer} deklariert werden, liegen sie an einer höheren Speicheradresse im Stack. Somit überschreibt, falls der Input \texttt{char *password} einen String länger als 12 Byte enthält, die unsichere Funktion \texttt{strcpy} diese drei Variablen. Somit muss das Passwort 15 Byte lange sein (12 Byte Buffer + 3 Bytes). Die ersten zwölf Byte sorgen dafür, dass das 13. Byte die erste der drei Variablen überschreibt, etc. Somit müssen die 3 letzten Byte die Werte haben, auf die in der 2. IF-Abfrage geprüft wird, damit die \texttt{auth\_flag} auf 1 gesetzt wird. Die Endianess muss beachtet werden. Diese können mit einem Debugger einfach gefunden werden.
    
    \item Anbei das ausgefüllte Speicherlayout. Anbei Bilder, die unser ausgefülltes Layout bestätigen. 
    
    Dem Bild kann entnommen werden, dass der Stack der Funktion \texttt{check\_authentication} bei \texttt{0xffffd500} startet und bis \texttt{0xffffd4e0} geht. Somit hat der Stack eine Größe von 32 (+4 Byte Parameter \texttt{@0xffffd500}), also 36 Byte. Außerdem kann dem Bild der aktuelle Stackinhalt entnommen werden. Der Stack ist keine 40 Byte groß, weshalb die Vorlage nicht genau passt und ein Speicherwort zu viel Platz ist.
    
    \includegraphics[width=\textwidth]{gdb.png}
    \includepdf[pages=1]{h5_ss24.pdf}
\end{subexercises}
\end{exercise}
\end{document}