RELRO (RELocation Read-Only)

GOT에 값을 채우는 방식은 다양하다.

함수가 처음 호출될 때 함수의 주소를 구하고, 이를 GOT에 적는 방법을 → Lazy Binding

Lazy Binding을 하는 바이너리는 실행 중에 GOT 테이블을 업데이트할 수 있어야 하므로 GOT에 쓰기 권한이 부여됩니다. 그런데 이는 바이너리를 취약하게 만드는 원인이 됩니다.

또한, ELF의 데이터 세그먼트에는 프로세스의 초기화 및 종료와 관련된 .init_array , .fini_array 가 있습니다. 이 영역들은 프로세스의 시작과 종료에 실행할 함수들의 주소를 저장하고 있는데, 여기에 공격자가 임의로 값을 쓸 수 있다면, 프로세스의 실행 흐름이 조작될 수 있습니다.

이로 인해, 프로세스의 데이터 세그먼트를 보호하는 RELocation Read-Only을 개발했습니다.

RELRO는 쓰기 권한이 불필요한 데이터 세그먼트에 쓰기 권한을 제거합니다.

RELRO를 정용하는 범위에 따라 두 가지로 구분됩니다. 하나는 부분적으로 허용하는 Partial RELRO이고, 나머지는 가장 넓은 영역에 RELRO를 적용하는 Full RELRO입니다.

 

우선, Partial RELRO와 Full RELRO의 차이를 확인해보자

// Name: relro.c
// Compile: gcc -o prelro relro.c -no-pie -fno-PIE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main() {
  FILE *fp;
  char ch;
  fp = fopen("/proc/self/maps", "r");
  while (1) {
    ch = fgetc(fp);
    if (ch == EOF) break;
    putchar(ch);
  }
  return 0;
}

위 코드는 자신의 메모리 맵을 출력하는 바이너리의 소스 코드이다.

gcc는 Full RELRO를 기본 적용하며, PIE를 해제하면 Partial RELRO를 적용합니다.

[그림 1-1]

Partial RELRO 권한

 .got.plt, .data, .bss 에 쓰기가 가능하다. .init_array와 .fini_array는 쓰기 불가능

 

.got와 .got.plt 이란?

Partial RELRO가 적용된 바이너리는 got와 관련된 섹션이 .got와 .got.plt로 두 개가 존재합니다. 전역 변수 중에서 실행되는 시점에 바인딩(now binding)되는 변수는 .got에 위치합니다. 바이너리가 실행될 때는 이미 바인딩이 완료되어있으므로 이 영역에 쓰기 권한을 부여하지 않습니다.

반면 실행 중에 바인딩(lazy binding)되는 변수는 .got.plt에 위치합니다. 이 영역은 실행 중에 값이 써져야 하므로 쓰기 권한이 부여됩니다. Partial RELRO가 적용된 바이너리에서 대부분 함수들의 GOT 엔트리는 .got.plt에 저장됩니다.

 

[그림 1-2]

옵션을 제거하거 컴파일하면 Full RELRO가 적용된 바이너리가 생성됩니다.

 

Full RELRO 권한

got에는 쓰기 권한이 제거되어 있으며 data와 bss에만 쓰기 권한이 있습니다.

Full RELRO가 적용되면 라이브러리 함수들의 주소가 바이너리의 로딩 시점에 모두 바인딩됩니다. 따라서 GOT에는 쓰기 권한이 부여되지 않습니다.

 

 

RELRO 기법 우회

 

Partial RELRO의 경우, .init_array와 .fini_array에 대한 쓰기 권한이 제거되어 두 영역을 덮어쓰는 공격을 수행하기 어려워집니다. 하지만, .got.plt영역에 대한 쓰기 권한이 존재하므로 GOT overwrite 공격을 활용할 수 있습니다.

 

Full RELRO의 경우, .init_array, .fini_array 뿐만 아니라 .got 영역에도 쓰기 권한이 제거되었습니다. 그래서 공격자들은 덮어쓸 수 있는 다른 함수 포인터를 찾다가 라이브러리에 위치한 hook을 찾아냈습니다. 라이브러리 함수의 대표적인 hook이 malloc hook과 free hook입니다. 원래 이 함수 포인터는 동적 메모리의 할당과 해제 과정에서 발생하는 버그를 디버깅하기 쉽게 하려고 만들어졌습니다.

 

malloc 함수의 코드를 살펴보면, 함수의 시작 부분에서 __malloc_hook이 존재하는지 검사하고, 존재하면 이를 호출합니다. __malloc_hook은 libc.so에서 쓰기 가능한 영역에 위치합니다. 따라서 공격자는 libc가 매핑된 주소를 알 때, 이 변수를 조작하고 malloc을 호출하여 실행 흐름을 조작할 수 있습니다. 이와 같은 공격 기법을 통틀어 Hook Overwrite라고 부릅니다.

 

마치며

프로세스의 데이터 영역에는 got, init array, fini array를 비롯하여 공격에 사용될 수 있는 여러 변수가 있습니다. Partial RELRO 바이너리는 got에 쓰기 권한이 남아있어서 GOT Overwrite로 이를 우회할 수 있지만, Full RELRO가 적용되면 데이터 영역의 모든 불필요한 쓰기 권한이 삭제되면서 Hook Overwrite 등의 새로운 공격 기법을 사용해야 합니다.

 

• RELocation Read-Only(RELRO): 불필요한 데이터 영역에 쓰기 권한을 제거함.
• Partial RELRO: init array, fini array 등 여러 섹션에 쓰기 권한을 제거함. Lazy binding을 사용하므로 라이브러리 함수들의 GOT 엔트리는 쓰기가 가능함. GOT Overwrite등의 공격으로 우회가 가능함.
• Full RELRO: init array, fini array 뿐만 아니라 GOT에도 쓰기 권한을 제거함. Lazy binding을 사용하지 않으며 라이브러리 함수들의 주소는 바이너리가 로드되는 시점에 바인딩됨. libc의 malloc hook, free hook과 같은 함수 포인터를 조작하는 공격으로 우회할 수 있음.