Intel CET缓解措施深度研究

0x00 TL;DR

上⼀篇⽂章中已经简单介绍过了CET的基本原理和实际应⽤的⼀些技术，站在防守⽅的视⻆下，CET确实是⼀个能 ⽐较有效防御ROP攻击技术的措施。那么在攻击者的视⻆来看，研究清楚CET的技术细节，进⽽判断CET是否是⼀ 个完美的防御⽅案，还是存在⼀定的局限性，则是攻击⽅的重中之重。

本⽂由浅⼊深地讲述CET的实现细节，最后提出⼏个理论可⾏的绕过⽅案，供研究者参考。

0x01 Shadow Stack Overview

上⼀篇⽂章已经⼤概对CET做了个基本概念介绍，所以就不重复，直接说重点。

Shadow Stack PTE

Shadow Stack本质上是块内存⻚，属于新增的⻚类型，因此需要增加⼀个新的⻚属性来标识Shadow Stack。PTE中的⼀些未有被CPU定义的，也有保留给操作系统使⽤的，例如第0位的Present就由CPU标识⻚是否分配。Linux 操作系统没有将所有保留位都使⽤掉（⽤于别的⽤途），但是其他操作系统则没有剩余可⽤的保留位了，因此从 Linux中取⼀个未使⽤的位，不太可取。

这⾥Linux采⽤了复⽤很少使⽤的⻚状态（写时复制的状态）：write=0, dirty=1。当Linux需要创建写时复制 write=0, dirty=1的⻚时，⽤软件定义的_PAGE_COW代替_PAGE_DIRTY，创建shadow stack时，则使⽤write=0, dirty=1。这就将两者区分开来了：

Shadow Stack

Management Instructions

为了保证shadow stack的独特性，CET专⻔设计了独有的汇编指令。普通的指令（MOV, XSAVE…）将不被允许操 作shadow stack。

这⾥重点说SAVEPREVSSP、RSTORSSP。Linux环境下，会存在栈切换的情况（系统调⽤、信号处理…），为了保 证shadow stack的正常运作，数据栈切换后shadow stack也需要相应切换，因此就会⽤到这两个指令。 

下图为执⾏RSTORSSP指令前后的shadow stack状态变化。执⾏的操作为先将SSP指针指向new shadow stack的 ‘restore token’，即0x4000。然后⽤current（old） shadow stack的地址做‘new restore token’替换掉‘restore token’，⽤于后续的SAVEPREVSSP指令使⽤。

下图为执⾏SAVEPREVSSP指令前后的变化。执⾏的操作为将前⾯设置的‘new restore token’压⼊previous shadow stack中，并将标志位置0。然后将SSP指针加1。

⾄此，就完成了shadow stack切换的整个过程。

0x02 Shadow Stack Implementation

这⾥不提及Shadow Stack的普遍情况（⻅上⼀篇⽂章），只研究Shadow Stack在⼀些特殊场景下的实现，在这些 场景中光申请Shadow Stack⻚后做push/pop操作是不够的，往往需要更复杂的实现。

Signal

⼀般⽤户需要对某个信号做⾃定义的特殊处理时，就会⽤到信号。对应的函数为signal()、sigaction()：

当捕获信号到执⾏信号处理函数再到恢复正常执⾏的整个过程中，会经历进程挂起、Ring0和Ring3间的切换、上下⽂切换等操作，这都需要shadow stack作出相应的变化，否则就会出现不可知的异常。下图是信号处理期间进程的变化。

以signal函数举例，在glibc中它的具体实现为下⾯所示，最终会调⽤rt_sigaction去注册信号。

再看CET的实现，它在 __setup_rt_frame 函数中添加了shadow stack相关的操作函数， __setup_rt_frame 函 数会在信号处理过程中被调⽤，即上⾯信号处理期间进程变化的图中②的期间：

上⾯新增的 setup_signal_shadow_stack 函数，参数restorer即为前⾯ __libc_sigaction 函数中提到的 __NR_rt_sigreturn 系统调⽤，且该参数后续会被push到shadow stack中去作为新的函数返回地址。 

相应地，再看 __NR_rt_sigreturn 系统调⽤的实现，该调⽤会在上⾯信号处理期间进程变化的图中④执⾏，CET 也在该处做了相应的改动：

从上⾯ rt_sigreturn 新增代码结合 __setup_rt_frame 新增代码可知，两者是相互配合的：⼀个负责创建 restore token并在shadow stack设置返回地址，另⼀个则负责校验restore token并设置新的ssp，以此来兼容在 信号处理过程中数据栈切换、上下⽂切换的场景。 

⾄于为什么要在创建restore token后设置shadow stack返回地址，是因为在信号处理过程中执⾏完sa_handler⽤户⾃定义函数后，紧接着就会执⾏sa_restorer所设置的函数，因此在CET场景下需要在shadow stack设置相应的返回地址。

Fork

调⽤fork后，存在两种情况： 

1. ⼦进程和⽗进程分别有⾃⼰的⼀块内存，不共享； 

2. ⼦进程和⽗进程共享同⼀块内存，为vfork。

因此，在shadow stack场景下，需要对fork系统调⽤做特殊处理。fork调⽤链如下：

CET在copy_thread函数中添加了相关代码：

从上⾯新增的代码可知，CET针对fork系统调⽤过程增加了创建新的shadow stack的部分，以兼容fork后⽗⼦进程 不共享内存的情况。同时也对vfork后⽗⼦进程共享内存的情况做了处理，使得不创建新的shadow stack以兼容相应场景。

Ucontext

ucontext涉及到协程相关的技术，该技术和系统调⽤在R3、R0间的切换⽐较类似。但是该技术作⽤于⽤户态，⽬ 的是给⽤户态程序提供更快的切换效果，以及使得⽤户态的代码能够更加灵活。在⽤户态层⾯实现上下⽂切换。常⽤的函数为getcontext/setcontext：

setjmp/longjmp的技术原理和实现和ucontext类似，就不提及了。getcontext/setcontext具体实现都在glibc中。ucontext协程技术涉及到上下⽂切换的场景，也会存在数据栈切换的情况，因此，shadow stack也需要做出相应 的动作。 

先看shadow stack在getcontext中的改动，先⽤ __NR_arch_prctl 系统调⽤获取当前shadow stack的基地址，其 次将其保存在SSP_BASE_OFFSET寄存器中，随后保存shadow stack基地址、ssp值在ucontext结构体中，供后续 setcontext使⽤：

再来看setcontext中的改动，校验getcontext保存的ucontext中的shadow stack基地址和ssp，再恢复，达到切换 回上⽂状态的⽬的：

上⾯getcontext/setcontext的场景，是在同⼀块shadow stack中实现切换，因为进程并没有创建新的数据栈。此外，makecontext会创建⼀个新的数据栈，开辟⼀个新的上下⽂，和上⾯的场景⼜有些许不同，makecontext和 setcontext也都做了相应的改动，由于篇幅原因不过多叙述，读者⾃⾏阅读源码即可，技术原理都是⼀样的。

0x03 CET Bypass

CET在多场景下的实现还是相对复杂的，需要软件层⾯做相应的配合，因此在复杂的设计实现层⾯，是否有可能存 在绕过CET的可能性呢？本⼩节提出⼏个理论可⾏的⽅案供研究者参考。

Overwrite Function

该⽅法⽐较简单粗暴，篡改结构体中的函数指针来控制执⾏流。假设现有如下代码：

调⽤结构体函数（1）处的汇编代码如下：

此时有间接call，IBT机制会起作⽤，call rax后⼀条指令必须为ENDBR64。

如果此时拥有任意读写的能⼒，就可以篡改结构体str1的test函数指针为over_write（2）即可改变执⾏流。且此时 over_write函数的⼊⼝点也是ENDBR64，即可绕过IBT的检查：

IBT机制会给绝⼤部分函数体的⼊⼝点添加ENDBR指令，因此这种⽅法还是可⾏的，实际测试：

扩展⼀下，还可以利⽤JOP去做。例如使⽤以下序列，也可以绕过CET：

但是这种JOP序列实际上是⽐较稀少的，难找到。

Migrate Shadow Stack by RSTORSSP

这种⽅案利⽤了CET新增的指令来做⽂章。前⾯已经介绍过了RSTORSSP，⽤于shadow stack的切换，那么如果切 换到的是攻击者伪造的shadow stack呢？ 

整个过程⽐较简单，步骤如下： 

1. 构造⼀块可控内存； 

2. 在可控内存中事先构造好返回地址，后续作为shadow stack使⽤；

3. 将内存转变为shadow stack；

4. 构造ROP；

5. ROP利⽤rstorssp将原shadow stack迁移到伪造的shadow stack中；

6. ROP执⾏system。

CET针对mmap和mprotect都做了相应的改动，在mmap中主要增加了⼀个VMA_FLAG为VM_SHADOW_STACK的 属性，在mprotect中除了PROT_READ/PROT_WRITE外增加了PROT_SHADOW_STACK（有⼀点是PROT_WRITE和 PROT_SHADOW_STACK不能同时使⽤，即只读），这两者是互相对应的关系。简单编写了这种⽅案的demo：

调试效果如下，可⻅当前已经将shadow stack切换到事先伪造的内存⻚中，且返回地址也篡改得和数据栈返回地址 相同，为0x41414141：

最终，RIP也能成功执⾏到控制的执⾏流：

不过这种⽅法在实际场景中构造的要求⽐较⾼，局限性⽐较⼤。

当然了，还有更粗暴的⽅法，CET新增指令还有⼀个WRSS的指令，该指令可以直接在shadow stack中写数据。但 是该指令需要在CPU上做使能操作，⽬前笔者阅读的源码暂时还没有使能，就不赘述了。

0x04 Summary

CET与以往软件实现的CFI不同，它从硬件侧寻找解决⽅案，在底层就将ROP掐断，对于软件CFI来说从性能、缓解效果⻆度来说都有着极⼤的提升。有得必有失，底层的变动必然会撬动上层随之变化，想要将这⼀缓解措施真正实 施落地，还有着很⻓的⼀段路要⾛。笔者略浅地研究了⼀番CET当前的实施进展，提出了部分攻防⽅向上的想法， 供后续研究者参考。我相信在不远的将来，CET的落地会给攻防带来很⼤的变化，到时候⼜将摩擦出怎样的⽕花？让我们⼀起期待吧。

0x05 Reference

• https://github.com/yyu168/linux_cet/commit/72367656271aba4d29a25b38232e680ab9231a26 

• https://ty-chen.github.io/linux-kernel-signal/ https://code.woboq.org/userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/sigaction.c.html#__libc_sigaction 

• https://man7.org/linux/man-pages/man2/signal.2.html 

• https://code.woboq.org/userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/getcontext.S.html#137 

• https://code.woboq.org/userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/setcontext.S.html#197 

• https://man7.org/linux/man-pages/man3/getcontext.3.html 

• https://lore.kernel.org/lkml/[email protected]/ 

• https://github.com/hjl-tools/linux/commit/280503098ea762b3100edb30d60489a030d4abca

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原文始发于微信公众号（云鼎实验室）：Intel CET缓解措施深度研究