熟悉计算机安全的读者肯定对CFI也就是control flow integrity不陌生，当然我们知道，实现CFI是一件很困难的事情，特别是要实现既准确又完备的CFI，恐怕是有点理想化。那么，和CFI相比，DFI也就是data flow integrity可能是更难去保证的一种安全防护，因为数据本身就很难去判定其性质。进入五月，我们从刚刚结束的ASPLOS 2024上选择了一篇研究论文Pythia: Compiler-Guided Defense Against Non-Control Data Attacks推荐给大家，来看看研究人员对data only attack这种安全威胁的相关防护研究进展：
论文首先举了一个例子，介绍了non-control data attack，虽然作者有点懒，拿了他们在2006年MICRO上的论文中的例子来重用，但是确实一看就能理解：
一般来说，大家认为non-control data attack的特点在于通过内存破坏漏洞去控制那些用来控制分支跳转的变量，进而让程序执行进入到如上图所示的特权分支。本文的作者认为，实际上non-control data attack还有更多的模式，例如下面的这个例子（这个例子看起来有点生硬）：
而针对这些威胁，本文的主要贡献包括：
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利用ARM pointer authentication（PA）机制，实现了名为
Pythia的系统，通过编译器辅助分析，消除一部分的dispatcher function（也就是类似JIT那种可以动态决定下一步执行挑战的函数），另一部分则用PA来进行指针保护； -
Pythia系统实现了一套保守的防护策略，用来对抗control-flow bending attack（2015年的USENIX Security上的论文 Control-flow bending: On the eff ectiveness of control-flow integrity 提出的一类攻击） -
通过减少PA的使用，提升了防护的效率（PA虽好，也不能滥用哦）
让我们来看看具体的实现，首先这个workflow看上去四平八稳，基本上就是把代码中的变量分成stack变量和heap变量两类来考虑，对于stack上的变量就给它前后加上canary（随机填充）来保护，对于heap上的变量就单独弄一个分配器。这些隔离防护的手段我们国内的读者最不陌生了（手动狗头），不过我们也都晓得，最困难的其实不是isolation而是如何识别哪些变量需要保护，这部分是怎么做的呢？
在这里，作者引用了他们在2023年OOPSLA上的一篇论文 Beacons: An end-to-end compiler framework for predicting and utilizing dynamic loop characteristics 中的技术，来帮忙寻找程序中所有的 branch sub-variable 也就是能够直接或者间接控制后续分支跳转的变量。这里作者还搞了一个branch decomposition algorithm，不过这部分比较枯燥，我们就不再过多介绍了。
再来说一下Pythia的所谓“保守”的防护策略，其实就是把vulnerable的变量全部都挪到同一个地方去（哈哈哈我们中国读者又熟悉了），如下图所示：stack上的变量里面，a和b都放在stack的高地址（底部），而heap变量里面的p就放在一个单独的堆上。
在论文的4.4章，作者还很数学style地给出了一些估计对抗攻击的复杂度估计，然后他们介绍说这个项目是基于LLVM改的，大概增删改了3420行代码，然后用完整的使用PA进行防护的模式（Compelete Pointer Authentication，CPA）和Pythia系统进行性能对比：
由于Pythia系统的主要特点在于其减少了对敏感变量的标记（也就是利用他们那个branch decomposition algorithm进行了更好的分析），所以相对CPA的47.88%的平均开销（在SPEC 2017 Benchmarks和Nginx上进行测试），Pythia系统的平均开销下降到了13.07%。
从下图可以更直观地看出Pythia系统的优势——对PA的克制使用：下图左是CPA vs Pythia 使用PA的对比，下图右是Pythia系统减少使用PA指令的数量分析。
总之，这篇论文读下来，感觉就和在安全会议上发表的论文感觉很不一样，虽然啥要素都有，但是读起来就有一种“缝合怪”的感觉，很难让我们这种“阅篇无数”的老读者感觉到兴奋，作者也没有公开代码，所以就这样吧~
论文：https://dl.acm.org/doi/10.1145/3620666.3651343 （虽然付费墙，目前还是开放获取）
原文始发于微信公众号（安全研究GoSSIP）：G.O.S.S.I.P 阅读推荐 2024-05-06 Pythia
