バッファオーバーラン

バッファオーバーラン（英: buffer overrun）、バッファオーバーフロー（英: buffer overflow）とは、コンピュータのプログラムにおけるバグのひとつ、またはそれにより引き起こされた現象で、プログラムで用意されたバッファよりも大きなサイズのデータをバッファに書き込む事で、データがバッファ境界からあふれ、バッファの外側のメモリを上書きしてしまう事により、元々そのメモリにあったデータを破壊してしまうものを指す。
バッファオーバーフローは上書きされるメモリ領域がスタック領域なのかヒープ領域なのかに応じてそれぞれスタックベースのバッファオーバーフロー、ヒープベースのバッファオーバーフローと呼ばれる。
なお、名称が似ている「スタックオーバーフロー」とは別の現象であるので注意されたい。
サイバーセキュリティ/情報セキュリティの分野ではバッファオーバーフローはメモリ破壊系の脆弱性の一つとして知られ、攻撃者がバッファオーバーフローのあるプログラムに意図的に悪意のあるデータ（コード）を与えることにより、コンピュータの動作を乗っ取ってしまえる可能性がある。バッファオーバーフローを悪用した攻撃をバッファオーバーフロー攻撃という。

C言語特有の例

C言語の標準入出力関数であるgets関数はバッファ長のチェックを行わないで標準入力をバッファに書き込むので、この関数を使う全てのプログラムには、バッファオーバーランによる不正動作の危険性がある。また使い方が分かりやすいという理由でC言語初心者向けの入門プログラミングでしばしば用いられるscanf関数も書式指定を誤った場合は同じ危険性を持っている。これらの関数を実用的なプログラムで用いる場合には注意が必要である。
次のプログラムはgets関数を用いた例である（セキュリティ上、gets関数はそれ自体をテストする以外の目的で使用されるべきではない。Linux Programmer's Manualには「gets()は絶対に使用してはならない。」と書かれている）。バッファ長として200バイト確保されている。gets関数はバッファの長さについては関知しないため、200バイトを超えても改行文字かEOFが現れなければバッファオーバーランが発生する。
#include <stdio.h>int main(int argc, char *argv[]){
  char buf[200];
  gets(buf);
  ....}
gets関数の代わりにfgets関数を用いることで、この問題を回避できる（fgets#getsを置き換える例等を参照）。fgets関数にはバッファのサイズを渡すことができ、このバイト数を超えてバッファに書き込みを行わない。したがってバッファサイズが正しく設定されていれば、fgets関数においてバッファオーバーランは起こり得ない。
これ以外のC言語の標準文字列処理関数の多くにも同様の問題（脆弱性）がある。

古典的バッファオーバーフロー攻撃

バッファAの値を他のバッファBにコピーするとき、BのバッファサイズがAのバッファサイズよりも大きいことをチェックしない場合に生じる脆弱性である。この脆弱性は、プログラマーがこのようなチェックの実装を怠った事により生じる。これはプログラマーが最低限のセキュリティチェックすらしていないことを強く示唆する。
脆弱性の具体例としては、例えばC言語やC++において、配列サイズをチェックする事なく、配列にstrcpyやscanfで文字列等をコピーするといったものがある。攻撃者は意図的に大きな入力をstrcpy、scanf、getsに与えることで、古典的バッファオーバーフローを不正に生じさせる事ができる。
例えば攻撃者がバッファAをバッファオーバーフローさせる事により、Aの隣りにある変数xを不正に変更できた場合、xがセキュリティ上重要なデータ（例えば管理者権限を持っているか否かを判定するビットを保持している）であれば、セキュリティ上重要な問題が生じる。

スタックベースのバッファオーバーフロー攻撃

スタックベースのバッファオーバーフローは「上書きされるバッファがスタック（すなわち、局所変数や、まれに関数のパラメータ）にアロケートされる」事が可能な場合に生じる脆弱性である。このような脆弱性はファジングを使用して発見されることが多い。

戻りアドレスの値の予想

攻撃を実行するには、あとは「戻りアドレス」として具体的にどの程度の値を代入すればよいかを知ればよい。しかし攻撃の標的となる組織の環境で戻りアドレスの絶対アドレスがいくつ程度の値になるのかを事前に知る事は難しい。そこで相対アドレスを利用して戻りアドレスを適切に選ぶ攻撃テクニックを紹介する。この攻撃のシナリオでは、攻撃者はシェルコードを含んだ攻撃用のプログラムh（をコンパイルして作った実行コード）を攻撃の標的となる組織に送りつけ、hのサブルーチンとしてgを呼び出す事で攻撃を行う。

この攻撃用プログラムhでは、変数xを宣言が宣言されているものとする。hが標的の環境でgを呼び出したとき、gのスタックフレームはスタック領域上でhのスタックフレームのすぐ隣に配置される事から、攻撃用文字列を入れ込むgの変数の絶対アドレスvar_addは
var_add = &x - (小さな値)
になるはずである。ここで「&x」はxのアドレスを表す。既に述べたようにNOPスレッドを使った攻撃では戻りアドレスとしてvar_add近辺の値を選べば成功するので、攻撃者はこの「小さな値」を決定しさえすればよい。
よって攻撃者は関数gの実行コードを事前に入手し、(シェルスクリプト等を使って)NOPスレッドの長さや戻りアドレスを変えながら攻撃対象のプログラムを何度も実行することで適切な「小さな値」を選び、その「小さな値」を攻撃用プログラムhに書き込んでおけばよい。

埋め込めるコード量が小さい場合の対処

関数gに埋め込む攻撃用の文字列は「NOPスレッド+シェルコード+戻りアドレスの繰り返し」という形をしており、gのリターンアドレスが「戻りアドレスの繰り返し」の部分に落ちない限り攻撃は成功しないので、関数gに攻撃用文字列を埋め込む箇所とgのリターンアドレスとが（仮想アドレス空間上で）あまりに近い場合は、攻撃に必要な長さのシェルコードを埋め込めないという問題が攻撃者に生じる。
しかし攻撃者が攻撃の標的となるマシンの環境変数を設定できる状況下では、攻撃者はこの問題を回避した攻撃が可能である。標的マシンでプロセスが実行される際には、そのプロセスの仮想アドレス空間に環境変数が読み込まれるので、攻撃者が事前に標的マシンの環境変数に「NOPスレッド+シェルコード」を書き込んでおけば、プロセスの仮想アドレスに「NOPスレッド+シェルコード」ができあがる事になる。プロセス中で関数gが実行された際、攻撃者は攻撃用文字列をgに入力して、リターンアドレスをそのNOPスレッドに書き換えれば攻撃が成功する事になる。
より確実な攻撃方法として、攻撃プログラムhの中に環境変数を読み込む関数(getenv()等)を用いるものもある。

ヒープスプレー

NOPスレッドを長くしすぎると、gのリターンアドレスの位置にすらNOPが書き込まれてしまって攻撃に失敗する為、NOPスレッドを長くして攻撃成功率を上げる手法には限界がある。しかし攻撃者がプロセスのヒープ領域の値をも自由に操れるという条件下では、攻撃者はヒープスプレーというテクニックを用いる事により、この限界を突破した攻撃を行う事が可能になる。
ヒープスプレーでは、NOPスレッドとシェルコードを、スレッド領域ではなくヒープ領域に埋め込み、戻りアドレスとしてヒープ領域中のNOPスレッドを指定する。ヒープ領域上のNOPスレッドにはスレッド領域のNOPスレッドと違い前述した長さの上限が存在しないため、「長いNOPスレッド＋シェルコード」の組み合わせを大量にヒープ中に書き込むことで攻撃成功率を上げる。
ウェブブラウザではJavaScriptなどのクライアントサイドスクリプトにより任意の長さのヒープを作成できるので、ブラウザを対象にしたドライブバイダウンロード攻撃ではヒープスプレーが使われる事が多い。

トランポリング

攻撃者の入力したデータ（エクスプロイトなど）のアドレスは未知であるが、そのデータのアドレスがレジスタに格納されていることは分かっているという場合には、トランポリン(trampolining)と呼ばれる手法が利用される。この手法では、攻撃者の入力したデータにジャンプするオペコードのアドレスをリターンアドレスへ上書きする。例えばアドレスがレジスタRに格納されている場合、jump R（あるいはcall Rなど）というオペコードが格納されているアドレスにジャンプさせることでユーザの入力したデータを実行させる。この手法で使用するオペコードはDLLや実行ファイルの中のものを利用する。ただし、一般的にオペコードのアドレスにヌル文字が含まれていてはならず、また処理に使用するオペコードのアドレスはアプリケーションやオペレーティングシステムのバージョンによって異なる。Metasploitプロジェクトはこのような目的に適したオペコードのデータベースの一つであり、Windowsで使用できるオペコードが記載されている。

ヒープベースのバッファオーバーフロー

mallocなどでヒープ領域に動的にメモリを確保する関数に対するオーバーフロー攻撃である。基本的な攻撃手法としては、関数がヒープに確保したメモリ領域が２つあるとき、そのうち一方の領域に対して確保済みのメモリサイズより大きなデータを入力する事でオーバーフローを起こし、もう一方のメモリ領域を書き換えるというものである。mallocは複雑な方法でメモリ確保の場所を決定しているものの、連続して２度mallocした場合にはその結果として確保される２つのメモリ領域は（仮想アドレス空間上で）近くにある傾向があるため、上述のようなバッファオーバーフロー攻撃が可能になる。

mallocのメモリ管理

より高度なヒープベースバッファオーバーフロー攻撃手法を説明する為の準備として、mallocのメモリ管理方法を説明する。なおメモリ管理方法の詳細はmallocの実装に依存するため、実行環境によって細かなところは下記の説明と異なる部分があるので注意されたい。
mallocは未使用なヒープ領域（の一部）をメモリプールとして管理しており、メモリプールは複数のchunkと呼ばれる単位からなっている。プログラム中でmallocが実行されるたびに、管理しているchunkの中から適切なサイズのものをプログラムに返す。適切なサイズのchunkがない場合は、システムコールにより新たなchunkを確保してプログラムに返す。mallocはchunkを（サイズ毎に異なる複数の）連結リストとして管理しており、chunkをプログラムに渡す際にこの連結リストからchunkを削除し、プログラムがメモリ領域をfreeすると、freeされたchunkが連結リストに加わる。
chunkは連結リストとして管理されているので、各chunkには「次のchunk」を指定するポインタ（windowsでは「flink」、linuxでは「fd」）や「前のchunk」を指定するポインタ（windowsでは「blink」、linuxでは「bk」）がある。
未使用chunkと隣接するメモリ領域が開放された場合は、開放されたメモリ領域と未使用chunkとを連結(coalesce)する事で1つの大きなchunkを作って管理する。

mallocのメタデータの書き換え

より高度なヒープベースバッファオーバーフロー攻撃として、mallocがメモリ管理に使うメタデータを書き換える手法がある。例えばXP SP1ないしそれ以前のWindowsでは、mallocしたメモリ領域をオーバーフローさせる事で、そのメモリ領域の（仮想アドレス空間で）隣りにある未使用chunkのflinkやblinkを任意のアドレスに書き換えるという攻撃手法が可能あった。flinkやblinkはcoalesceのタイミングでmallocにより参照されるので攻撃が成功する。

write-what-where状態

バッファオーバーフロー攻撃の結果として、write-what-where状態（"write-what-where condition"、CWE-123。任意の場所に任意の値を書き込むことができる状態）になる危険がある。
write-what-where状態になると、セキュリティポリシーのスコープ外にメモリのデータを書き込むことができる。セキュリティポリシーのスコープ外にコードを置くことで、攻撃者はほぼ確実に任意のコードを実行できるようになる。管理者権限を制御しているフラグ等が書き換えられる場合も、攻撃者は任意のコードが実行可能になる。

プログラムのフリーズ・クラッシュ

攻撃者は意図的にバッファオーバーフローを起こすによりプログラムをクラッシュさせたり、処理を書き換えて無限ループに追い込むことでプログラムをフリーズさせてたりする事でプログラムの可用性を侵害できる。

関数ポインタの書き換え

古典的バッファオーバーフローやヒープオーバーフローなどの結果として、関数ポインタの書き換えが可能になるケースがある。攻撃者はnmコマンドを用いる事でプログラム中で用いられている様々な関数のアドレスを知る事ができるので、nmの結果を参照して攻撃に利用可能な関数に関数ポインタの値を書き換えられる。

安全なライブラリへの置き換え

標準Cライブラリ等にはバッファオーバーフロー検知機能が施されていない関数が収録されているので、これを検知機能を持った関数に置き換えたライブラリを標準Cライブラリの代わりに使う事で攻撃を検知できる。例えばLibsafeは標準Cライブラリのstrcpy(*dest,*src)をより安全な関数に置き換えており、入力srcのサイズがコピー先のdestのサイズが大きいか否かを検知できる。

ASLR

バッファオーバーフロー攻撃を含めたメモリ破壊攻撃全般を緩和する技術としてASLR（Address Space Layout Randomization、アドレス空間配置のランダム化）がある。これは仮想メモリ空間におけるスタック領域やコード領域の位置、読み込まれるDLLの位置等を（プログラム起動時もしくはOS自身の起動時に）ランダムに変える技術で、これにより攻撃者が攻撃に有効な実行コードの特定箇所を指定してメモリ改ざんを行うのを困難にする。
ASLRはバッファオーバーフロー攻撃の発展形であるReturn-to-libc攻撃（後述）を緩和できるが、さらにその発展形である Return-oriented programmingには対抗できない。
カーネル空間のASLRをKASLR（Kernel Address Space Layout Randomization)といい、linuxカーネル(バージョン3.14以降)、iOS(バージョン6以降)などで実装されている。またKASLRをバイパスしようとする攻撃に対抗する為の機構としてKernel page-table isolationがある。
gccとg++でコンパイルとスタック領域とヒープ領域に対してはASLRを用いるが、コード領域にASLRを用いるにはオプション「-pie」を使わねばならない。また共有ライブラリにASLRを用いるにはオプション「-fPIC」を指定する。

プログラミング言語・プログラミング環境の選択

C言語やC++以外の言語ではバッファオーバーフローが発生しないよう対策が取られているものも多く、コンパイル時にバッファオーバーフローのチェックを行ったり、実行時にバッファオーバーフローに対する警告や例外を上げたりするものもある（Ada、Eiffel、LISP、Modula-2、Smalltalk、OCaml、およびC言語から派生したCycloneやD言語など）。
Javaプラットフォームや.NET Frameworkでは全ての配列に対して境界チェックが必須とされる。ほぼすべてのインタプリタ言語ではバッファオーバーフローへの対策が行われており、エラー発生時にはその状態が明確に伝えられる。境界チェックを行うのに十分な型情報を保持しているようなプログラミング言語では、境界チェックの有効・無効を切り替えるためのオプションが提供されていることもある。

ソースコード記述時の対策

バッファオーバーフロー攻撃は主にC言語やC++を対象としたものなので、以下ではプログラミング言語としてC言語かC++を選んだ場合に対しての対策を述べる。

人手による静的コード解析

静的コード解析の際、前述した領域長とデータ長を意識したプログラミングが行われているか再確認し、strcpy, sprintf 等のデータ領域長を意識しないライブラリ関数が使用されていないか、使用されているならその入力長の計算が間違っていないかを確認する。またヒープオーバーフロー対策としてmalloc/freeやnew/deleteの多用に注意し、関数ポインタの書き換えを防ぐために関数ポインタが多用に注意し、攻撃パターンを見逃す事がないようデータの一部を切り捨てている関数に注意する。

自動化された静的コード解析

strcpy等のバッファオーバーフローが起こりやすい関数の使用に対して警告を出してくれる関数名照合型検査ツールや、各種ソースコード検査ツールを使用してバッファオーバーフロー対策を行う。開発環境の中にはソースコード検査ツールをオプションとして備えているものもあるので、それを利用する事もできる。
またソースコードが手に入らない製品等を利用する場合は、ファジングツールでブラックボックス解析する。

Return-to-libc攻撃

既に述べたように、典型的なスタックベースのオーバーフロー攻撃では、本来データを格納すべき箇所にシェルコードやNOP命令のようなコードを置き、リターンアドレスを書き換えてこれらのコードにジャンプして、これらのコードを実行する必要があった。しかしWXが実装された実行環境ではデータを格納すべき箇所におけるコード実行を不許可としているので、こうしたオーバーフロー攻撃を仕掛ける事はできない。
そこでWXを回避する為に考案されたのがReturn-to-libc攻撃である。この攻撃では、リターンアドレスのジャンプ先をデータ格納箇所に書き換えるのではなく、標準Cライブラリ(libc)のような共有ライブラリ・DLLにジャンプするよう書き換える。こうしたライブラリはデータ格納箇所以外に置かれているので（WXが実装された環境においても）実行許可がある。そこで攻撃者はライブラリ内の関数を悪用して、攻撃を仕掛ける事ができる。

実行環境がASLRを実装していれば、libc等のライブラリの仮想アドレスはランダムに変わるので、攻撃者がジャンプ先をライブラリに落ちるようリターンアドレスを書き換えるのは困難になる。

Return-to-Register攻撃

Retrun-to-Register攻撃とは「ret命令実行後にレジスタが指しているアドレスに不正な命令コードを挿入し、その上で”そのレジスタ値に実行を移す命令群が格納されているアドレス”でリターンアドレスを書き換える攻撃」のことである。
例えばレジスタAがバッファの先頭へのポインタを格納しているとすると、そのときレジスタAをオペランドにとる任意のjumpまたはcall命令が実行フローの支配権を得るのに使用できる。

ret2esp攻撃

ret2esp（Return to esp）攻撃は、2017年現在のASLRの実装のデフォルトではコード領域（.textセクション）をランダマイズしない事を利用してASLRを回避する攻撃手法である。ここでespはx86におけるスタックポインタである。この攻撃は.textセクション内に「jmp esp」のような命令がある場合に成立する。攻撃者はバッファオーバーフローを利用してespの（仮想アドレス空間上の）下にシェルコードを配置した上で、リターンアドレスを「jmp esp」の箇所に書き換える。するとまずリターンアドレスの書き換えにより「jmp esp」のところにジャンプし、次に「jmp esp」が実行されてespの箇所にジャンプするので、その下に配置したシェルコードが実行される事になる。

歴史

バッファオーバーフローがある程度公に文書化されたのは1972年の初めで、Computer Security Technology Planning Studyで以下のように説明されている。
"The code performing this function does not check the source and destination addresses properly, permitting portions of the monitor to be overlaid by the user. This can be used to inject code into the monitor that will permit the user to seize control of the machine."
「この処理を実行するコードは読み込み元と書き込み先のアドレスに対するチェックを適切に行なっておらず、モニターの一部に対しユーザによる上書きを許すことになっている。これはモニターにコードを挿入するのに利用される可能性があり、結果としてユーザがマシンの制御を掌握する可能性がある」
モニターとは、現在カーネルと呼ばれているのと同じものである。
バッファオーバーフローを利用した悪意のあるエクスプロイトで最初に文書化されたのは、1988年に書かれたMorris wormがインターネット上で増殖するのに利用していたエクスプロイトのうちの一つである。攻撃対象のプログラムはUNIXのサービスであるfingerであった。
1995年、Thomas Lopaticはそれとは独立にバッファオーバーフローを発見し、セキュリティに関するメーリングリストBugtraqへ投稿した。
1996年、エリアス・レヴィ（ハンドルネームAleph one）はオンラインマガジンPhrackで記事"Smashing the Stack for Fun and Profit"を発表した。
これはスタックベースのバッファオーバーフローを使用したエクスプロイトを手順を追って説明していく内容である。
これ以降、少なくとも2つの有名なインターネットワームがバッファオーバーフローを利用したエクスプロイトで多くのシステムに被害を与えている。2001年にはCode RedがマイクロソフトのInternet Information Services(IIS) 5.0のバッファオーバーフローを利用している。
また2003年にはSQL SlammerがMicrosoft SQL Server 2000の動作するマシンに被害を与えている。
2003年には、市販のXboxのゲームに含まれるバッファオーバーフローが利用され、無認可のソフトウェア（例えばHomebrewのゲームなど）をModチップなどのハードウェアの改造なしに動作させるのに利用された。
PlayStation 2では同じ目的のためにPS2 Independence Exploitが使用される。またWiiではHomebrewが利用されるが、これはゼルダの伝説 トワイライトプリンセスに存在するバッファオーバーフローを利用している。