[System] 컴퓨터 메모리 구조 / 레이아웃

들어가며

우리의 목적은 컴퓨터의 시스템을 잘 이해하고, 취약점을 알아내는 것이다. 컴퓨터의 데이터들은 메모리라는 공간에 들어있다. 허가 없이 메모리들을 수정하거나, 덮어쓰거나 하는 등의 행위를 하기 위해서는 메모리에 데이터들이 어떻게 나뉘어서 저장되어 있으며, 그 데이터들의 용도는 무엇이고 얼마나 접근가능한지에 대하여 알아야한다.

• 컴퓨터는 CPU에서 연산을 하지만, 메모리에서 데이터를 가져와 연산을 한다.
• 그리고 ISA에 따라서 명령어를 처리한다.
• 따라서 만약 메모리가 오염된다면, 이상한 데이터로 CPU가 이상한 연산을 하게 되어버린다. 이를 메모리 오염(Memory Corruption)이라고 한다.
• 따라서 메모리 오염을 방어/혹은 유발하려면 메모리 레이아웃에 대한 이해가 필수적이다.

CPU나 메모리, 레지스터와 같은 전반적인 컴퓨터 구조에 대해 잘 모른다면 여기를 참고하자!

🗄 메모리 레이아웃

메모리는 결국 자원이 들어있는 상자라고 볼 수 있고, 그 상자에는 자원의 종류 및 용도에 따라 서랍으로 나눠놨다. 예를들어 옷장에 바지 넣는 서랍, 상의 넣는 서랍으로 나눠둔 것처럼 !

여기서 우리는  서랍을 ‘세그먼트’라고 부르기로 했다. 이제 바지 서랍을 바지 세그먼트라고 부르는 것이다. 세그먼트들에도 이름이 있다. 이제 그걸 살펴보자.

세그먼트들

이런 방식으로 프로세스라는 큰 상자 안에 여러 서랍, 즉 세그먼트가 존재하고, 그 세그먼트는 들어가있는 데이터와 그의 용도에 따라 나뉘어져있다. 마치 바지를 넣는 서랍과 상의를 넣는 서랍이 다르고, 속바지를 넣는 서랍과 그냥 바지를 넣는 서랍이 다르듯이 말이다.

하지만 이 세그먼트들은 그저 서랍과는 다른 부분이 있다. 세그먼트는 세그먼트에 따라 할 수 있는 작업이 다 다르다. 예를 들면, 코드가 저장되는 코드 세그먼트의 경우 읽기(r), 실행(x)은 가능하지만 쓰기(w)는 불가능하다. 쓰기 권한을 줄 경우 이미 실행권한도 있는데 이상한 걸 작성해서 실행시킬 수 있기 때문이다.

이처럼 각 세그먼트에는 들어가는 데이터뿐만 아니라 권한(r,w,x)이라는 특성도 부여되어있다는 점도 기억하자.

세그먼트 종류
메모리에는 아래와 같은 세그먼트들이 존재한다.

• 👩‍💻 코드 세그먼트 (텍스트 세그먼트)
• 📃 데이터 세그먼트 (data, rodata)
• 0️⃣ BSS 세그먼트
• 힙 세그먼트
• 📚 스택 세그먼트

그럼 이제 본격적으로 각각의 세그먼트(서랍)에 어떤 데이터(옷)이 들어가고, 그 세그먼트의 특징은 무엇인지 알아보도록 하자! 여기서는 친근하게 친구 방식으로 쓰겠다 😙

👩‍💻 코드 세그먼트

• 실행할 수 있는 코드(ex: 함수 등)이 저장돼!
• 사실 코드들은 컴파일 되면 5ab20ff 이런식으로 이상한 기계어로 변환되거든~ 그때 이러한 기계어들을 코드 세그먼트에 저장하게되는 방식이야!
• 읽기/실행 권한은 있지만 쓰기 권한은 없어! 왜냐하면 쓰기 권한이 부여될 경우 악의적인 공격자가 이상한 코드를 작성할 수도 있거든(그런데 데이터 세그먼트에서는 쓰기 가능하던데.. 얘는 왜 되지? 갑자기 공부 필요)
• 코드는 텍스트이므로 텍스트 세그먼트라고 불리기도 해~

int main(void) {
    printf("hi");
    return 0;
}

이런 코드가 저장되는 곳이 코드 세그먼트가 되는 거지!

📃 데이터 세그먼트

우리의 두번째 서랍, 데이터 세그먼트야!

• 여기에는 이미 초기화된 전역변수 혹은 상수등이 저장돼.
• 당연히 읽기권한이 부여되어있겠지?

데이터 세그먼트는 권한 및 용도에 따라 두 부분으로 나뉘어져 있어!

rodata (📖)data (📖✍️)

• Read-Only data의 약자여서 읽기만 가능해!
• 전역 상수 등이 여기에 속하겠지? 상수는 한번 선언하면 수정이 불가능하니까 말이야~

data (📖✍️)

• 읽기, 쓰기 모두 가능해!
• 초기화된 전역 변수 등이 들어가게 되겠지?

0️⃣ BSS 세그먼트

• Block Started By Symbol Segment 의 약자
• 컴파일 시점에 값이 ‘정해지지 않은’ 전역 변수 등을 저장해!
• 이런 변수들은 프로그램 시작할 때 자동으로 다 0으로 초기화 된대! 😮
• 읽기와 쓰기 권한이 있어!

int bss_data; //초기화 안해줬으므로 bss 세그먼트에 저장됨
int main() 
{  printf("%d\n", bss_data);  // 0 (0으로 자동으로 초기화됨) 
	return 0;}

📚 스택 세그먼트

이제 스택 세그먼트야! 거의 다왔으니 조금만 힘내자! 여기서 나오는 스택 프레임에 대해서는 다른 포스트로 좀 더 자세히 다뤄볼 예정이니 기대해줘 😊

• 프로세스의 스택이 위치하는 영역이야!
• 읽기와 쓰기 권한이 부여되어있어
• 함수의 인자 (매개변수)나 지역 변수와 같은 임시 변수가 저장돼.
• 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임(stack frame)이라고 해
• 즉, 스텍 프레임이라는 단위로 스택이 세그먼트가 실행이되는데, 이 스택 프레임은 사용자의 인풋 등에 따라 크기가 달라질 수가 있어서 크기 예측이 불가능해. 예를 들어 조건문을 통해 분기가 되는 경우를 들 수 있겠지? -> 그렇기 때문에 스택에서는 유동적으로 값을 할당해주게 돼. 그리고 부족해질 때마다 이를 확장해주게되지.
• 주소가 줄어드는 방향으로 자라나.(윗방향으로 자라!)
• 스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되고, 함수의 호출이 완료되면 소멸하게 돼.
• 레지스터나 환경변수 정보도 스택에 저장되는 것 같아(확실하지 않으니 공부 필요)
• 배열도 스택 영역에 저장된다고 해(확실하지 않으니 공부 필요)

 

void func() {  //함수실행시 스택 프레임 생성
	int choice = 0; //이렇게 지역변수같은 애들이 스택에 저장됨 
	scanf("%d", &choice);  

	if (choice)    //choice에 따라서 어떤 함수가 실행될지 달라짐 -> stack frame은 예측 불가능 !!
		call_true();  
	else    
		call_false();  
	
	return 0;
	} //함수 반환했으므로 스택 프레임 해제

🥞 힙 세그먼트

• 힙 세그먼트에는 포인터들이 동적으로 할당받은 메모리들이 저장돼!
• Java 나 C++ 등에서는 'new' 를 통해, C에서 'malloc', 'calloc' 등을 통해 가져오는 메모리들이 힙에 있는 메모리야!
• 스택과 반대 방향으로 자라! (아래방향이지만 주소가 늘어나는 방향이야)
• calloc(), malloc() 등에 의해 할당받은 메모리들이 여기 있어! 포인터는 스택에 있으니 헷갈리지말구!
• 프로그램 실행 중(Runtime)에 결정돼!
• 읽기와 쓰기 권한이 있어!

그렇다면 힙과 스택은 왜 반대 방향으로 자라는 걸까?

힙과 세그먼트가 동일한 방향으로 자란다고 생각해보자. 그러면 만약 할당된 힙 세그먼트의 양을 다 썼다면 이를 확장하는 과정에서 스택 세그먼트 부분을 침범하게 되겠지?
하지만 반대 방향으로 서로 자라게하면 이런 충돌문제에 대해 좀 더 자유로워질 수 있겠지~

아래 예제 코드는 heap_data_ptr에 malloc()으로 동적 할당한 영역의 주소를 대입하고, 이 영역(heap)에 값을 쓰게돼.

int main() {
  int *heap_data_ptr = //포인터 변수는 스택에 저장
      malloc(sizeof(*heap_data_ptr));  // 동적 할당한 힙 영역의 주소를 가리킴
  *heap_data_ptr = 31337;              // 힙 영역에 값을 씀
  printf("%d\n", *heap_data_ptr);  // 힙 영역의 값을 사용함
  return 0;
}

 

정리

세그먼트	역할	권환	예시
코드 세그먼트	실행 가능한 코드가 저장되어있는 영역	r,x	int main(){...}
데이터 세그먼트	초기화된 전역 변수 및 상수가 저장되어있는 영역	r,w/r	int a=0; int NUM 10;
BSS 세그먼트	초기화되지 않은 데이터가 저장되어있는 영역	r,w	int a;
힙 세그먼트	동적 할당을 통해 할당받은 메모리가 있는 영역	r,w	malloc(), calloc(), new()등으로 할당받은 메모리
스택 세그먼트	임시변수 (함수의 매개변수, 지역변수 등)	r,w	int fnc(int i){};에서 i의 값 등

 

예제

#include <stdlib.h>
int a = 0xa; //a는 초기화된 전역변수이므로 data 세그먼트에 저장
const char b[] = "d_str"; //"d_str"는 초기화된 상수이므로 rodata 세그먼트에 저장
int c; //초기화되지 않았으므로 BSS 세그먼트에 저장
int foo(int arg) { //foo()함수는 코드 세그먼트에 저장
  int d = 0xd; //d는 지역 변수이므로 스택에 저장
  return 0;
}
int main() //main()함수는 코드 세그먼트에 저장
{
  int *e = malloc(sizeof(*e)); //e는 스택에, e가 참조하는 메모리는 힙의 메모리
  return 0;
}

 

오늘은 컴퓨터 구조에서 중요한 메모리 구조에 대해 알아보았다. 다음 포스트는 어셈블리어 관련 포스팅이 될 예정이다.

 

 

 

 

 

 

Reference

https://dreamhack.io/
시스템 해킹 stage 2 공부 내용 정리

해커들의 놀이터, Dreamhack

https://badayak.com/entry/C%EC%96%B8%EC%96%B4-%ED%95%A8%EC%88%98-%EB%82%B4-%EB%B0%B0%EC%97%B4%EC%9D%80-%EC%96%B8%EC%A0%9C-%EC%83%9D%EC%84%B1%EB%90%A0%EA%B9%8C

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