20199324《Linux内核原理与分析》第十一周作业

SET-UID程序漏洞实验

一、实验简介

Set-UID 是 Unix 系统中的一个重要的安全机制。当一个 Set-UID 程序运行的时候，它被假设为具有拥有者的权限。例如，如果程序的拥有者是root，那么任何人运行这个程序时都会获得程序拥有者的权限。Set-UID 允许我们做许多很有趣的事情，但不幸的是，它也是很多坏事情的罪魁祸首。

因此本次实验的目标有两点：

• 欣赏好的方面，理解为什么 Set-UID 是需要的，以及它是如何被执行的。
• 注意坏的方面，理解它潜在的安全性问题。

二、实验内容

这是一个探索性的实验，你的任务是在Linux环境中和Set-UID机制”玩游戏“，你需要在Linux中完成接下来的实验任务：

2.1 没有 Set-UID 机制的情况

猜测为什么“passwd”，“chsh”，“su”，和“sudo”命令需要Set-UID机制，如果它们没有这些机制的话，会发生什么。

如果你不熟悉这些程序，可以通过阅读使用手册来熟悉它们。如果你拷贝这些命令到自己的目录下，这些程序就不会是Set-UID程序。

$ cp /usr/bin/passwd /tmp/passwd
$ ls -la /usr/bin/passwd
$ ls -la /tmp/passwd
$ /tmp/passwd #shiyanlou密码可以通过点击右侧工具栏SSH直连看到
$ /usr/bin/passwd

从上面的截图可以看出：将 passwd 拷贝到 /tmp/ 下，权限发生了变化（在原目录下 suid位 被设置），复件没有了修改密码的权限。

对于“chsh”，“su”，和“sudo”命令，把这些程序拷贝到用户目录下，同样不再具有root权限。

2.2 运行 Set-UID 程序

在linux环境下运行Set-UID 程序，同时描述并且解释你的观察结果。

• 以root方式登录，拷贝/usr/bin/zsh 到/tmp, 同时设置拷贝到tmp目录下的zsh为set-uid root权限，然后以普通用户登录，运行/tmp/zsh。

• 拷贝/bin/bash到/tmp目录，同时设置/tmp目录下的bash为Set-UID root权限，然后以普通用户登录，运行/tmp/bash。

可见，同样的操作，运行复制的zsh可以获得root权限，而bash不能。

2.3 bash 内在保护机制

从上面步骤可以看出，/bin/bash有某种内在的保护机制可以阻止Set-UID机制的滥用。为了能够体验这种内在的保护机制出现之前的情形，我们打算使用另外一种shell程序——/bin/zsh。在一些linux的发行版中（比如Fedora和Ubuntu），/bin/sh实际上是/bin/bash的符号链接。为了使用zsh，我们需要把/bin/sh链接到/bin/zsh。

下面的指令将会把默认的shell指向zsh：

$ sudo su
# cd /bin
# rm sh
# ln -s zsh sh

2.4 PATH环境变量的设置

system(const char * cmd)系统调用函数被内嵌到一个程序中执行一个命令，system()调用/bin/sh来执行shell程序，然后shell程序去执行cmd命令。但是在一个Set-UID程序中system()函数调用shell是非常危险的，这是因为shell程序的行为可以被环境变量影响，比如PATH；而这些环境变量可以在用户的控制当中。通过控制这些变量，用心险恶的用户就可以控制Set-UID程序的行为。

下面的Set-UID程序被用来执行/bin/ls命令；然后程序员可以为ls命令使用相对路径，而不是绝对路径。在 /tmp 目录下新建 test.c 文件：

int main()
{
   system("ls");
   return 0;
}

• 你能够设置这个Set-UID程序运行你自己的代码而不是/bin/ls吗？如果你能的话，你的代码具有root权限吗？描述并解释你的观察。

可以具有root权限，把/bin/sh拷贝到/tmp目录下面重命名为ls（先要确保/bin/目录下的sh 符号链接到zsh，而不是bash），将环境变量PATH设置为当前目录/tmp，运行编译的程序test。就可以获得root权限：

• 先恢复环境变量 PATH ，然后修改/bin/sh使得其返回到/bin/bash，重复上面的攻击，你仍然可以获得root权限吗？描述并解释你的观察。

可见修改sh连接回bash，运行test程序不能使普通用户获得 root 权限。

2.5 system()和execve()的不同

首先确保/bin/sh指向zsh:

$ sudo su
# cd /bin
# rm sh
# ln -s zsh sh

然后使用如下命令恢复 PATH：

PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games

首先在 /tmp 目录下新建 SRU.c 文件，内容如下：

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
   char *v[3];
   if(argc < 2)
   {
   printf("Please type a file name.\n");
   return 1;
   }
   v[0] = "/bin/cat"; v[1] = argv[1]; v[2] = 0;
  //Set q = 0 for Question a, and q = 1 for Question b
   int q = 0;
   if (q == 0)
   {
      char *command = malloc(strlen(v[0]) + strlen(v[1]) + 2);
      sprintf(command, "%s %s", v[0], v[1]);
      system(command);
  }
  else execve(v[0], v, 0);
  return 0 ;
}

• 程序中有 q=0。程序会使用system()调用命令行。这个命令安全吗？如果你是Bob，你能对系统的完整性妥协吗？你能重新移动一个对你没有写权限的文件吗?

这个命令不安全，Bob可能会出于好奇或者个人利益驱使阅读或者修改只有root用户才可以运行的一些文件。

比如截图中：file文件只有root用户有读写权限，但普通用户通过运行该程序，阅读并重命名了file文件：

• 如果令q=1；刚才的攻击还会有效吗？请描述并解释你的观察。
  
  修改为q=1后，不会有效。前面步骤之所以有效，是因为system()函数调用/bin/sh，链接至zsh，具有root权限执行了cat file文件后，接着执行mv file file_new命令。

而当令q=1, execve()函数会把file; mv file file_new 看成是一个文件名，系统会提示不存在这个文件：

2.6 LD_PRELOAD环境变量

为了保证Set-UID程序在LD_PRELOAD环境的操纵下是安全的，动态链接器会忽略环境变量，但是在某些条件下是例外的，在下面的任务中，我们猜测这些特殊的条件到底是什么。

1、让我们建立一个动态链接库。把下面的程序命名为mylib.c，放在/tmp目录下。在函数库libc中重载了sleep函数：

#include <stdio.h>
void sleep (int s)
{
    printf("I am not sleeping!\n");
}

2、我们用下面的命令编译上面的程序（注意区别l和1）:

gcc -fPIC -g -c mylib.c

gcc -shared -Wl,-soname,libmylib.so.1 \
-o libmylib.so.1.0.1 mylib.o –lc

3、把下面的程序命名为myprog.c，放在/tmp目录下：

int main()
{
   sleep(1);
   return 0;
}

在下面的条件下运行这些程序，并观察结果。基于这些观察告诉我们链接器什么时候会忽略LD_PRELOAD环境变量，解释原因。

① 把myprog编译成一个普通用户下的程序在普通用户下运行

可见，它会使用LD_PRELOAD环境变量，重载sleep函数：

② 把myprog编译成一个Set-UID root的程序在普通用户下运行

在这种情况下，忽略LD_PRELOAD环境变量，不重载sleep函数，使用系统自带的sleep函数：

③ 把myprog编译成一个Set-UID root的程序在root下运行

在这种情况下，使用LD_PRELOAD环境变量，使用重载的sleep函数：

④ 在一个普通用户下把myprog编译成一个Set-UID 普通用户的程序在另一个普通用户下运行

注意：需要先使用命令 rm myprog 把之前编译生成的 myprog 文件删掉

在这种情况下，不会重载sleep函数：

由以上四种情况可见：只有用户自己创建的程序自己去运行，才会使用LD_PRELOAD环境变量，重载sleep函数，否则的话忽略LD_PRELOAD环境变量，不会重载sleep函数。

2.7 消除和清理特权

为了更加安全，Set-UID程序通常会调用setuid()系统调用函数永久的清除它们的root权限。然而有些时候，这样做是远远不够的。在root用户下，在/tmp目录新建一个空文件zzz。

在root用户下将下面代码命名为test2.c，放在/tmp目录下，编译这个程序，给这个程序设置root权限。在一个普通的用户下，运行这个程序。描述你所观察到的情况，/tmp/zzz这个文件会被修改吗？解释你的观察。

代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>

int main(){

    int fd;
    fd = open("/tmp/zzz",O_RDWR|O_APPEND);
    sleep(1);
    setuid(getuid());
    pid_t pid ;

    if( ( pid = fork() ) < 0 )
        perror("fork error");
    else if( pid == 0 ){
        // child process
        write( fd , "shiyanlou!" , 10 );
    }

    int status=waitpid(pid,0,0);
    close(fd);

    return 0;
}

结果如图：

如图所示文件被修改了，原因在于设置uid前，zzz文件就已经被打开了。只要将语句setuid(getuid())移至调用open函数之前，就能避免这个问题。