Computer Science - Memory Layout
Memory에 대해 공부한다. [DreamHack]내용을 따른다.
What is Memory layout?
매우 오래전에는 모든 데이터들(Function, data, lib)을 하나의 페이지 내에 저장해서 사용하는 방식을 사용했으나, 이는 매우 취약한 형태이므로 오늘날은 발전된 Memory Layout을 사용한다
예를들어, malicious 데이터를 data에 입력해두고, Function을 포인팅하는 레지스터가 malicious데이터를 지칭하도록 만들면 바로 실행되는 등의 취약점이 존재함.
Linux Memory Structure
오늘날 Memory는 크게 Text, Data, BSS, Heap, Stack 영역으로 나뉘어는데, 각 영역에 용도에 맞는 권한을 부여할 수 있다. 간단한 예제를 통해 알아보자.
Example of memory layout
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//memory.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int uninitialized;
int initialized = 1;
int main()
{
void *heap = malloc(1024);
int stack = 1024;
char buf[64];
printf("Function : 0x%lX\n", &main);
printf("Uninitialized Data : 0x%lX\n", &initialized);
printf("Initialized Data : 0x%lX\n", &initialized);
printf("Heap : 0x%lX\n", heap);
printf("Stack : 0x%lX\n", &stack);
}
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#output of memory.c
Function : 0x55BE60E09149
Uninitialized Data : 0x55BE60E0C020
Initialized Data : 0x55BE60E0C020
Heap : 0x55BE617E62A0
Stack : 0x7FFD5B88D524
각 데이터를 저장하는 address가 분리되어있음을 확인할 수 있다.
Text Segment (Also called Code Segment)
실행 가능한 기계 코드 가 위치하는 영역이다. r-x 권한이 부여된다.
Data Segment
컴파일 시점에 값이 정해진 Global Variable(constant) 가 위치하는 영역이다. 부여되는 권한에 따라 두가지 영역으로 나뉘어지는데, 두 영역 모두 기본적으로 읽기 권한이 부여된다.
전역변수는 rw-권한이 부여된 data segment 에 위치하고, 전역 상수는 r--권한이 부여된 _rodata segment_에 위치한다.
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//! example
int num = 10; // data
char str[] = "writable"; // data
const char pre_str[] = "non-writable"; // rodata
char *str_ptr = "non-writable"; // str_ptr은 data, 문자열은 rodata
int main() { ... }
BSS Segment (Block Started By Symbol Segment)
컴파일 시점에 값이 정해지지 않은 전역 변수 가 위치하는 메모리 영역이다. rw-권한이 부여된다. 프로그램이 시작될 때, 모두 0으로 초기화된다.
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int bss_data; // its in BSS
int main() {
printf("%d\n", bss_data); // 0
return 0;
}
Stack Segment
Stack Frame단위로 사용된다. 프로세스를 시작할 때는 작은 크기의 Stack Segment를 할당하고, 부족해 질 때마다 이를 낮은 주소로 확장한다. rw-권한이 부여된다.
Heap Segment
스택과 마찬가지로 동적으로 할당 될 수 있으며, 리눅스에서는 스택 세그먼트와 반대 방향으로 자란다. 일반적으로 rw-권한이 부여된다.
Heap과 Stack의 확장 방향이 다른 이유는 충돌을 해결하기 위함이다. 스택 영역을 메모리 끝에 위치시키고 서로 다른 방향으로 자라게 함으로써 힙과 스택이 최대한 자유롭게 사용될 수 있게 한다.
Summary
| 세그먼트 | 역할 | 일반적인 권한 | 사용 예 |
|---|---|---|---|
| 코드 세그먼트 | 실행 가능한 코드가 저장된 영역 | 읽기, 실행 | main() 등의 함수 코드 |
| 데이터 세그먼트 | 초기화된 전역 변수 또는 상수가 위치하는 영역 | 읽기와 쓰기 또는 읽기 전용 | 초기화된 전역 변수, 전역 상수 |
| BSS 세그먼트 | 초기화되지 않은 데이터가 위치하는 영역 | 읽기, 쓰기 | 초기화되지 않은 전역 변수 |
| 스택 세그먼트 | 임시 변수가 저장되는 영역 | 읽기, 쓰기 | 지역 변수, 함수의 인자 등 |
| 힙 세그먼트 | 실행중에 동적으로 사용되는 영역 | 읽기, 쓰기 | malloc(), calloc() 등으로 할당 받은 메모리 |
Memory Layout이 어떻게 구성되어 있는지에 따라 exploit할 수 있는 방법이 달라지기 때문에 이를 이해하는것은 중요하다.
- 어디에 어떤 코드들과 데이터들이 있는지
- 영역의 권한은 어떠한지