Background: Library - Static Link vs. Dynamic Link

01 라이브러리

라이브러리는 컴퓨터 시스템에서, 프로그램들이 함수나, 변수를 공유해서 사용할 수 있게 한다.

printf, scanf, strlen, memcpy, malloc 등 프로그램에서 공통으로 사용하는 함수들이 있다. C언어를 비롯하여 많은 컴파일 언어들은 자주 사용되는 함수들의 정의를 묶어서 하나의 라이브러리 파일로 만들고, 이를 여러 프로그램이 공유해서 사용할 수 있도록 지원하고 있다.

→ 라이브러리를 사용하면 같은 함수를 반복적으로 정의해야 하는 수고를 덜 수 있어서 효율이 높아짐

 

02 링크

1. 링크 전

링크(Link)는 많은 프로그래밍 언어에서 컴파일의 마지막 단계이다.

프로그램에서 어떤 라이브러리의 함수를 사용한다면, 호출된 함수와 실제 라이브러리의 함수가 링크 과정에서 연결된다.

 

// Name: hello-world.c
// Compile: gcc -o hello-world hello-world.c

#include <stdio.h>

int main() {
  puts("Hello, world!");
  return 0;
}

// Path: /usr/include/stdio.h

...
/* Write a string, followed by a newline, to stdout.

   This function is a possible cancellation point and therefore not
   marked with __THROW.  */
extern int puts (const char *__s);
...

리눅스에서 C 소스 코드는 전처리, 컴파일, 어셈블 과정을 거쳐 ELF형식을 갖춘 오브젝트 파일(Object file)로 번역된다.

$ gcc -c hello-world.c -o hello-world.o

위의 코드로 hello-world.c를 어셈블할 수 있다.

오브젝트 파일은 실행 가능한 형식을 갖추고 있지만, 라이브러리 함수들의 정의가 어디 있는지 알지 못하므로 실행은 불가능하다.

 

위의 명령어를 실행해보면, puts의 선언이 stdio.h에 있어서 심볼(Symbol)로는 기록되어 있지만, 심볼에 대한 자세한 내용은 하나도 기록되어 있지 않다.

심볼과 관련된 정보들을 찾아서 최종 실행 파일에 기록하는 것이 링크 과정에서 하는 일 중 하나이다.

 

 

2. 링크 후

예제를 완전히 컴파일하고 다음 명령어를 통해 링크되기 전과 비교를 진행한다.

libc에서 puts의 정의를 찾아 연결한 것을 확인할 수 있다.

여기서 libc를 같이 컴파일하지 않았음에도 libc에서 해당 심볼을 탐색한 것은, libc가 있는 /lib/x86_64-linux-gnu/가 표준 라이브러리 경로에 포함되어 있기 때문이다.

gcc는 소스 코드를 컴파일할 때 표준 라이브러리의 라이브러리 파일들을 모두 탐색한다.

 

위의 명령어들로 표준 라이브러리의 경로를 확인할 수 있다.

 

링크를 거치고 나면 프로그램에서 puts를 호출할 때, puts의 정의가 있는 libc에서 puts의 코드를 찾고, 해당 코드를 실행하게 된다.

 

 

3. 라이브러리와 링크의 종류

라이브러리

• 동적 라이브러리
  • 동적 링크(동적 라이브러리를 링크함)
• 정적 라이브러리
  • 정적 링크(정적 라이브러리를 링크함)

 

동적 링크

• 동적 링크된 바이너리를 실행하면 동적 라이브러리가 프로세스의 메모리에 매핑된다.
• 실행 중에 라이브러리의 함수를 호출하면 매핑된 라이브러리에서 호출할 함수의 주소를 찾고, 그 함수를 실행한다.
• 프로그램 = 사람, 라이브러리 = 도서관
  • 사람이 도서관에 방문해서 원하는 책의 위치를 찾고, 그 책에서 정보를 습득하는 과정과 유사함

 

정적 링크

• 도서관에서 필요한 모든 책을 암기하는 것과 같음
• 정적 링크를 하면 바이너리에 정적 라이브러리의 필요한 모든 함수가 포함된다.
•  따라서 해당 함수를 호출할 때, 라이브러리를 참조하는 것이 아니라, 자신의 함수를 호출하는 것처럼 호출할 수 있다.
• 라이브러리에서 원하는 함수를 찾지 않아도 되니 탐색의 비용이 절감되는 듯하지만, 여러 바이너리에서 라이브러리를 사용하면 그 라이브러리의 복제가 여러 번 이루어지게 되므로 용량을 낭비하게 된다.

 

4. 동적 링크 VS 정적 링크

먼저 앞의 hello-world.c 를 정적 컴파일하여 static을, 동적 컴파일하여 dynamic을 생성한다.

 

용량

각각의 용량을 ls로 비교해보면 static 이 dynamic 보다 50배 가까이 더 많은 용량을 차지하는 것을 확인할 수 있다.

 

호출 방법

static

static에서는 puts가 있는 0x40c180을 직접 호출한다.

 

dynaminc

dynamic에서는 puts의 plt주소인 0x401040을 호출한다.

 

→ 이러한 차이가 발생하는 이유는 동적 링크된 바이너리는 함수의 주소를 라이브러리에서 “찾아야”하기 때문이다.

 

 

03 PLT & GOT

• PLT(Procedure Linkage Table)와 GOT(Global Offset Table)는 라이브러리에서 동적 링크된 심볼의 주소를 찾을 때 사용하는 테이블이다.
• 바이너리가 실행되면 ASLR에 의해 라이브러리가 임의의 주소에 매핑된다.
• 이 상태에서 라이브러리 함수를 호출하면, 함수의 이름을 바탕으로 라이브러리에서 심볼들을 탐색하고, 해당 함수의 정의를 발견하면 그 주소로 실행 흐름을 옮기게 된다. → 이 과정을 runtime resolve라고 함
• 반복적으로 호출되는 함수의 정의를 매번 탐색하는 것은 비효율적이기 때문에 ELF는 GOT라는 테이블을 두고, resolve된 함수의 주소를 해당 테이블에 저장한다.

 

1. resolve되기 전

// Name: got.c
// Compile: gcc -o got got.c -no-pie

#include <stdio.h>

int main() {
  puts("Resolving address of 'puts'.");
  puts("Get address from GOT");
}

 

got.c를 컴파일하고 실행한 직후에,  GOT의 상태를 보여주는 명령어인 got를 사용한다.

puts의 GOT 엔트리인 0x404018 에는 아직 puts의 주소를 찾기 전이므로, 함수 주소 대신 .plt 섹션 어딘가의 주소인 0x401030 이 적혀있다.

 

main()에서puts@plt를 호출하는 지점에 중단점을 설정한다.

내부로 들어가면, PLT에서는 먼저 puts의 GOT 엔트리에 쓰인 값인 0x401030으로 실행 흐름을 옮긴다.

실행 흐름을 따라가면 _dl_runtime_resolve_xsavec가 호출될 것임을 알 수 있다.

여기서 코드를 조금 더 실행시키면 _dl_runtime_resolve_xsavec라는 함수가 실행되는데, 이 함수에서 puts의 주소가 구해지고, GOT 엔트리에 주소를 쓴다.

ni 명령어를 반복적으로 수행해서 _dl_runtime_resolve_xsavec  안으로 진입한 후, 

 

finish 명령어로 함수를 빠져나오면, 

puts의 GOT 엔트리에 libc 영역 내 실제 puts 주소인 0x7ffff7c80e50가 쓰여 있는 모습을 확인할 수 있다.

 

 

2. resolve된 후

puts@plt를 두 번째로 호출할 때는 puts의 GOT 엔트리에 실제 puts의 주소인 0x7ffff7c80e50가 쓰여있어서 바로 puts 가 실행된다.

 

 

3. 시스템 해킹의 관점에서 본 PLT와 GOT

시스템 해커의 관점에서 보면 PLT에서 GOT를 참조하여 실행 흐름을 옮길 때, GOT의 값을 검증하지 않는다는 보안상의 약점이 있다.

앞의 예제에서 puts의 GOT 엔트리에 저장된 값을 공격자가 임의로 변경할 수 있으면, puts가 호출될 때 공격자가 원하는 코드가 실행되게 할 수 있다.

 

GOT 엔트리에 저장된 값을 임의로 변조할 수 있는 수단이 있음을 가정하고, 이 공격 기법이 가능한지 gdb를 이용하여 간단한 실습을 진행한다.

got바이너리에서 main() 내 두 번째 puts() 호출 직전에 puts의 GOT 엔트리를 “AAAAAAAA”로 변경한 후 

실행시키면, 실제로 “AAAAAAAA”로 실행 흐름이 옮겨지는 것을 확인할 수 있다.

 

 

 

이와 같이 GOT 엔트리에 임의의 값을 오버라이트(Overwrite)하여 실행 흐름을 변조하는 공격 기법을 GOT Overwrite라고 부른다.

일반적으로 임의 주소에 임의의 값을 오버라이트하는 수단을 가지고 있을 때 수행하는 공격 기법이다.