COMP3355 课程笔记

一次越界写入会改变什么 程序为数组、字符串或网络数据分配一段内存后，这段内存能够容纳的字节数是有限的。写入操作超过对象边界，就形成越界写入（Out-of-Bounds Write）。通用缺陷枚举（Common Weakness Enumeration，CWE）将这类问题记作 CWE-787，它也是缓冲区溢出（Buffer Overflow）最常见的表现之一。 越界写入首先破坏相邻内存。普通运行条件下，程序可能崩溃、输出错误结果，或者留下难以稳定复现的数据损坏。攻击者能够控制写入内容和长度时，后果还可能扩展到身份标志、函数指针和返回地址，进而改变程序的执行路径。 1988 年的 Morris Worm 已经展示了这类缺陷的破坏力。它利用了多条传播路径，其中一条来自 fingerd 服务中的栈缓冲区溢出。此后多次大规模蠕虫传播也与内存越界有关。软件和系统已经增加许多防护机制，边界错误本身仍然没有消失。 要理解越界写入为什么能够影响控制流，需要先看处理器怎样执行函数调用。 32 位 x86 中的关键寄存器 寄存器位于 CPU 内部，访问速度远高于主存。32 位 x86 有几组与函数调用密切相关的寄存器。 寄存器 常用名称 典型作用 EIP 指令指针（Instruction Pointer） 保存下一条将要执行的指令地址 ESP 栈指针（Stack Pointer） 指向当前栈顶 EBP 帧指针（Frame Pointer） 在传统栈帧中作为当前函数的稳定基准位置 EAX 通用寄存器 在常见调用约定中保存整数或指针返回值 这些描述针对 32 位 x86 的常见实现。64 位 x86 使用 RIP、RSP、RBP 和 RAX 等寄存器，参数通常优先通过寄存器传递。编译器还可能省略帧指针，把 EBP 留作通用寄存器。因此，下面的栈帧应当理解为便于分析的典型模型。具体行为由应用程序二进制接口（Application Binary Interface，ABI）规定。 flowchart TB cpu["CPU"] eip["EIP下一条指令地址"] ebp["EBP当前栈帧的基准"] esp["ESP当前栈顶"] eax["EAX常见返回值位置"] stack["进程栈"] code["代码区域"] cpu --> eip cpu --> ebp cpu --> esp cpu --> eax eip -->|选择下一条指令| code ebp -->|定位参数和局部状态| stack esp -->|跟随压栈与出栈移动| stack 函数调用怎样建立栈帧 以 32 位 x86 上常见的 cdecl 调用约定为例，调用者通常从右向左压入参数。call 指令把下一条指令的地址压入栈，再把控制流交给目标函数。被调用函数可以保存旧 EBP，令 EBP 指向当前栈帧，并移动 ESP 为局部变量预留空间。 ...

从一段 C 程序开始 软件安全中的许多问题，最终都要落到两个问题上： 程序把数据放在了哪里； 程序是否按照对象的边界和生命周期访问这些数据。 下面这段程序同时包含全局变量、函数、局部变量和动态内存分配。它适合用来观察一个 C 程序从源代码到运行时内存的对应关系。 c Copy #include <stdio.h> #include <stdlib.h> char hello[] = "Hello World!"; int dummy; int foo(int num) { int result = 0; result = num * 2; return result; } void bar(void) { char *buffer = (char *)malloc(1024); } int main(void) { foo(42); bar(); return 0; } 这段程序可以编译为可执行文件： ...

开场 密码学（Cryptography）先回答的不是某个具体算法，而是“系统到底想保护什么”。如果从网络安全的角度看，它主要围绕保密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）展开。真实性（Authenticity）也需要单独看待，因为很多场景里，攻击者不只是偷看，还会伪造、篡改，甚至冒充通信一方。 在这一讲里，最核心的模型仍然是 Alice、Bob 和 Eve。Alice 想把消息发给 Bob，Eve 可以拦截、修改、伪造消息。这个模型和 COMP3357 里的私钥密码学导论是一致的，这里不再赘述，读者可以参考 COMP3357 第 1 讲：私钥密码学导论。 密码学要保护什么 理解密码学的保护对象，可以先从资产（assets）开始。硬件和软件当然要保护，但真正不可替换的是数据。硬盘坏了可以换，系统坏了可以重装，文档、邮件、照片、交易记录一旦泄露或被篡改，往往就很难恢复原样。 所以 crypto 的目标不是单纯把内容藏起来，而是围绕三类风险建立机制。 保密性（Confidentiality）是别人看不懂 完整性（Integrity）是别人改不了，或者改了能被发现 认证和真实性（Authentication）是别人不能冒充 明文、密文、加密和解密 以下是密码学里最基本的几个概念： 明文（Plaintext） 是原始的、可读的消息 密文（Ciphertext） 是加密后的、不可直接读的消息 加密（Encrypt） 是把明文变成密文 解密（Decrypt） 是把密文恢复成明文 密钥（Key） 是决定算法输出的那段信息 他们的关系可以被定义为： $$ C = E(P, K), \qquad P = D(C, K) $$这里 $E$ 是加密算法，$D$ 是解密算法，$P$ 是明文，$C$ 是密文，$K$ 是密钥。 也就是说，加密算法 $E$ 把明文 $P$ 和密钥 $K$ 变成密文 $C$，解密算法 $D$ 则把密文 $C$ 和同一个密钥 $K$ 变回明文 $P$。我们可以发现，密钥是整个加密系统的核心。只要密钥被泄露，整个系统就不再安全。 经典密码只是起点 最经典的加密算法是大家熟知的 Caesar cipher。它的规则很简单，明文字母整体平移固定步数 $K$，比如移 3 位。数学上可以写成 ...

开场 上一讲已经讲到非对称加密、数字签名和哈希函数。它们解决了很多密码学问题，但还留下一个很现实的问题：我拿到的公钥，真的是对方的公钥吗？ 公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）就是围绕这个问题建立起来的一整套制度和技术系统。它不只是一种算法，而是一组硬件、软件、人员、策略和流程，用来创建、管理、分发、使用、存储和吊销数字证书（Digital Certificate）。 中间人攻击为什么绕不开 先看一个最简单的密钥交换场景。Alice 想和 Bob 建立通信信道，双方最后需要得到一个对称密钥。问题在于，如果 Alice 只是从网络上收到一个“Bob 的公钥”，她本身并不知道这个公钥是否真的属于 Bob。 中间人攻击（Man-in-the-Middle Attack，MITM）的关键就在这里。Eve 控制通信信道后，可以对 Alice 说“我是 Bob，这是我的公钥”。如果 Alice 直接相信这把公钥，后续发给这把公钥的加密内容都会先落到 Eve 手里。Eve 解密、读取、重新加密，再转发给 Bob，Alice 和 Bob 可能都以为自己在和对方直接通信。 文件传输里的数字签名也会遇到同类问题。Alice 可以对文件摘要签名，Bob 可以用 Alice 的公钥验证签名。可是如果 Bob 手里的“Alice 公钥”本来就是 Eve 替换过的，那么 Eve 也可以用自己的私钥签一个新文件，再把自己的公钥冒充成 Alice 的公钥发给 Bob。签名本身没有失效，失效的是“公钥属于谁”这个前提。 所以，PKI 要解决的核心问题不是怎么生成密钥，而是怎么在数字世界里验证身份和公钥之间的绑定关系。 数字证书 数字证书是一份电子文档，用来标识个人、服务器、公司或其他实体，并把这个身份和一把公钥绑定起来。证书的作用可以简单理解为：它不是只给出一把公钥，而是给出“某个被命名的实体拥有这把公钥”的可验证声明。 常见证书会包含这些信息。 字段 含义 主体（Subject） 证书对应的实体，例如服务器或组织 主体公钥（Subject Public Key） 被绑定到该主体的公钥 签发者（Issuer） 签发这张证书的 CA 有效期（Validity Period） 证书从什么时候到什么时候有效 序列号（Serial Number） CA 为证书分配的唯一编号 签名算法（Signature Algorithm） CA 生成签名时使用的算法 数字签名（Digital Signature） CA 对证书核心内容生成的签名 X.509 是定义公钥证书格式的 ITU 标准。现实里的 HTTPS 证书、学校 Wi-Fi 证书和许多企业证书都可以按 X.509 的思路理解。浏览器里查看网站证书时，通常能看到证书颁发者、有效期、公钥信息、证书用途和证书链等内容。 ...

开场 网络安全（Cyber Security）先回答的不是攻击手法，而是它到底在保护什么。这个问题看起来简单，实际上决定了后面所有概念的理解方式。只要把“保护对象”想清楚，后面的保密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）就会自然落到具体场景里。 现实背景 2013 年常被当作一个明显的分界点，不是说那之前没有安全问题，而是说公众对安全和隐私的关注在那之后明显升高了。一个重要背景是斯诺登（Edward Snowden）披露了 PRISM 等项目，很多人第一次直观地意识到，数据收集、平台责任和个人隐私之间并不是抽象的学术问题，而是每天都可能碰到的现实问题。 这也解释了所谓的可见性困境（Visibility Dilemma）。大多数安全防护本来就应该悄悄起作用，越是成功，越不容易被普通用户看见；一旦出事，大家又会立刻感受到它的重要性。2024 年 CrowdStrike 相关事件就很符合这种逻辑，很多人平时不会想到安全基础设施，但它一出问题，影响会立刻扩散到大量系统和业务。 保护对象 网络安全通常把“资产（assets）”当成理解入口。一个计算机系统里，真正需要保护的东西大致可以分成三类。 类别 典型内容 是否容易替换 硬件（hardware） 电脑、磁盘、内存、打印机、网络设备 通常可以替换 软件（software） 操作系统、商业软件、个人应用 通常可以重新安装 数据（data） 文档、照片、视频、邮件、交易记录 往往最难替换 这里最关键的是数据。硬件坏了可以换，软件坏了可以重装，但数据一旦丢失、泄露或者被篡改，很多时候就没有“原样恢复”的机会了。所以网络安全的重点不是只盯着设备，而是要同时看系统、网络、程序和数据。 CIA 三要素 网络安全要保护的目标通常概括成 CIA 三要素，不是情报机构，而是三个英文单词的首字母。 目标 中文理解 常见手段 课堂里的典型场景 保密性（Confidentiality） 只有授权的人才能看见信息 加密（Encryption）、访问控制（Access Control）、身份验证（Authentication） 网上银行登录、员工资料库 完整性（Integrity） 信息不能被未授权地改坏 哈希（Hashing）、数字签名（Digital Signature）、版本控制（Version Control） 金融交易、软件更新 可用性（Availability） 需要的时候系统和数据能正常使用 冗余（Redundancy）、故障切换（Failover）、备份（Backup）、灾难恢复（Disaster Recovery） 医疗系统、电商网站、云存储 理解这三个词时，可以把它们看成三个不同的问题。保密性问的是“别人能不能看”；完整性问的是“内容有没有被偷偷改”；可用性问的是“我需要用的时候它在不在”。 典型场景 网上银行最适合用来说明保密性（Confidentiality）。账户密码、转账记录和身份信息都不能被旁人直接读到，所以加密传输（Encrypted Transport）和严格的访问控制是最基础的要求。 金融交易更适合说明完整性（Integrity）。只要交易金额、收款人或者时间戳被改过一次，账就会对不上，所以系统往往会配合数字签名、日志和校验机制来保证记录可信。 医疗系统、电子商务网站和云存储服务则更强调可用性（Availability）。医院不能因为单点故障就读不到病历，电商网站不能在高峰期就直接下线，云盘也不能只靠一台服务器撑住全部访问。因此冗余、负载均衡（Load Balancing）和多数据中心部署会变得很重要。 小结 如果只记一句话，我会把这讲总结成这样：网络安全不是某一种攻击技巧，而是围绕数字资产，持续维持保密性、完整性和可用性的系统工程。后面的章节如果继续往下学，所有方法、工具和案例最后都会回到这三个目标上。 返回目录 回到 COMP3355 课程笔记目录