[论文分享] Out of Control: Overcoming CFI

今天要介绍的文章发表在 2014 年的 IEEE S & P，作者是 Herbert Bos 等人。这篇文章首先介绍了早期的 CFI 机制，并指出这些 CFI 机制为了实现方便、性能优化而存在被攻破的可能性。于是作者针对这些 CFI 机制的缺陷构造了一个 Windows 系统下的 PoC。这篇文章年代久远，算是对 CFI 历史发展的学习。

什么是 CFI？

计算机漏洞利用中，最经典方式是通过 stack overflow 把 shellcode 注入到 stack 中，通过 overwrite return address 来执行 shellcode，这一般是计算机安全的入门课。针对这样的攻击，人们提出了几种不同的机制来防御：

• • DEP（Data Execution Prevention）：用于存数据的内存不能作为指令执行。实现方式如 W ⊕ X：一个 page 的 W 权限和 X 权限是异或关系，不能共存；

• • SSP（Stack Smashing Protection）：给编译器增加额外功能，让它能主动感知/防御 stack 被恶意覆写；

• • ASLR（Address-space Layout Randomization）：地址随机化，让程序的各个部分基地址在运行时随机决定。

为了绕开 DEP，ROP（Return-oriented Programming）诞生了。ROP 利用程序本身有的代码片段（gadgets）拼凑成出一个完整的 shellcode，这样就无需自己注入新的代码。而 SSP 和 ASLR 也有不同的方式可以绕过，和 ROP 一同使用就会构成新的有效攻击。

为了防御 ROP，人们提出了 CFI（Control-flow Integrity）机制，即保证程序的 control-flow 跳转一定是符合自己预期的。一个理想的 CFI 机制会对程序中所有的 indirect control-flow transfer 做检查。Indirect control-flow transfer 是指目标地址没有写死在指令里的跳转，比如函数调用、返回、非直接跳转等，一般会把目标地址放在一个寄存器中。如果我们在每个 indirect control-flow transfer 前做检查，查看目标地址是不是在事先设置好的列表里，就可以做到阻止 ROP 攻击。

然而实际上的 CFI 实现并不能做到这么强大。首先，这样的检查带来的性能开销过大；其次，商业软件体量过大，并且并不开源，没办法如此细致地实现 CFI 机制。

现实中，在这篇论文写成之时，存在三个 CFI 机制：original CFI、CCFIR 和 bin-CFI。

他们的核心思路都是减少目标地址的 list 大小。原先每个 indirect control-flow transfer 分割开来的基本块前都会有一个自己的 ID，用于做检查。而最初的 CFI 实现提出，我们只需要一个 ID，来 label 所有的跳转。这样的机制粒度过粗，因此 CCFIR 提出使用 3 个不同的 ID，用于 ret 指令、敏感函数中的 ret 指令和 indirect call/jmp 指令。而 bin-CFI 中采用了 2 个不同的 ID：ret & indirect jmp 以及 indirect call。

这样的机制可以在一定程度上挫败攻击者，但是并不是理想中的 CFI 保护机制。比如下图所示的代码中，就存在红色箭头所示的，并不符合程序 CFG（control-flow graph）但是被允许的跳转。

CFI 下的 ROP gadgets

那么是否有可能通过这些红色箭头来实现 ROP 呢？答案是有可能的，只是 gadgets 看起来不太一样:

CFI 下的 gadgets 看起来要更“大”一些，往往是一个基本块最为一个 gadgets（忽略直接跳转的基本块）。这也导致了这些 gadgets 带有的副作用更多，构造时需要额外考虑。

为了在 CFI 保护机制下寻找 gadgets，作者对 gadgets 进行了分类：

根据种类、指令行为和退出方式，gadgets 被分成了 18 类，包含 CS（call site）、EP（entry-point）两个大类。

这些 gadgets 被串起来的方式也非常有趣。CS 类的可以被简单串起来：

类似地，EP 类的也可以被简单串起来：

这里 EP 串起来形成的已经不叫 ROP 了，而是 call-oriented programming，与 ROP 统称为 code reuse attack。

而如果想把 CS 和 EP 之间串起来，则会稍微麻烦一些，需要一些特殊的 gadget 做转换器：

CFI 下的代码注入

传统的 ROP 被证明是图灵完备的，并且 gadgets 很小，比较灵活。但是有 CFI 后，gadgets 相对比较笨重了，也有更多副作用，很难去直接实现攻击者想要的功能。所以更好的方式还是想办法注入攻击者自己的 shellcode。

为了实现这一点，我们需要绕过 W ⊕ X。如果我们想办法给一个 buffer 执行权限，就可以绕过 W ⊕ X。然而这样的攻击会被 CFI 保护机制阻止，因为 buffer 里的代码显然不在 CFI 允许的列表里。那么我们还有另一个思路：想办法让一个代码段变成可写的，再将其覆盖掉。

如果我们能构造一个 code reuse attack，调用一些特殊函数调整内存权限（windows 下是 VirtualProtect），就可以实现 code injection。

Gadgets 统计

上面介绍了攻击的思路。后续作者统计了流行软件中所需要的 gadgets 数量：

可见即使在 CFI 保护下，可用的 gadgets 还是很多的。作者使用这些 gadgets 构造了一个 PoC，详细信息可以阅读原文。

结语

现在的 CFI 保护技术已经远远不是这篇论文提到的这么简单了，并且出现了很多硬件辅助的 CFI 功能。Linux kernel 中的 CFI 保护也是最近一个很活跃的话题。这篇文章的阅读只是简单回顾一下早期的 CFI 思路，以及对应的攻击思路，这些思路在今天看起来已经很 straight-forward 甚至有些 naive 了。

原文始发于微信公众号（COMPASS Lab）：[论文分享] Out of Control: Overcoming CFI