# 8.4 ROPdefender: A Detection Tool to Defend Against Return-Oriented Programming Attacks

[paper](https://www.ei.ruhr-uni-bochum.de/media/trust/veroeffentlichungen/2010/12/14/HGI-TR-2010-001.pdf)

## 简介

论文设计并实现了工具 ROPdefender，可以动态地检测传统的 ROP 攻击（基于return指令）。ROPdefender 可以由用户来执行，而不依赖于源码、调试信息等在现实中很难获得的信息。

ROPdefender 基于二进制插桩框架 Pin 实现，作为一个 Pintool 使用，在运行时强制进行返回地址检查。

## 背景

现有的 ROP 检测方法会维护一个 shadow stack，作为返回地址的备份。当函数返回时，检查返回地址是否被修改。

这种方法有个明显的缺陷，它只能检测预期的返回（intended return），而对于非预期的返回（unintended return）无效。

intended instruction 是程序中明确存在的指令。而 unintended instruction 是正常指令通过偏移得到的指令。举个例子：

intended instruction：

```
b8 13 00 00 00  mov $0x13, %eax
e9 c3 f8 ff ff  jmp 3aae9
```

偏移两个十六进制后的 unintended instruction：

```
00 00   add %al, (%eax)
00 e9   add %ch, %cl
c3      ret
```

这样的返回不会被备份到 shadow stack 中，因此也不会被检测到。

另外，如果攻击者修改的不是返回地址，而是函数的 GOT 表，则同样不会被检测到。

## 解决方案

ROPdefender 同样也使用 shadow stack 来储存每次函数调用的返回地址。在每次函数返回时进行返回地址检查。

与现有方法不同的是：

* ROPdefender 会检查传递给处理器的每个返回指令（基于JIT插桩工具），这样即使攻击者使用 unintended instruction 也会被检测到
* ROPdefender 还能处理各种特殊的情况

整体思想如下图所示：

![img](https://2555551199-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MGvsJHYreZx4FTJt1gV%2Fuploads%2Fgit-blob-360de3e0c0d836fa7b3041d497dca5b7166cbe25%2F8.4_approach.png?alt=media)

在处理器执行指令时，对指令类别进行判断，如果是 call，将返回地址放进 shadow stack；如果是 return，则检查与 shadow stack 顶部的返回地址是否相同。这一方法不仅可用于检测 ROP 攻击，还可以检测所有利用缓冲区溢出改写返回地址的攻击。

## 实现细节

基于 Pin 动态二进制插桩（DBI）框架的实现如下图所示：

![img](https://2555551199-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F-MGvsJHYreZx4FTJt1gV%2Fuploads%2Fgit-blob-b8bb45711af869f322224cb3abb961f19b9b2053%2F8.4_implementation.png?alt=media)

一般工作流程是这样的，程序在 DBI 框架下加载并启动。DBI 框架确保：

1. 程序的每条指令都在 DBI 的控制下执行
2. 所有指令都根据 ROPdefender 特定的检测代码执行，然后进行返回地址检查

ROPdefender 包含了多个 shadow stack 和一个 detection unit。detection unit 用于 shadow stack 返回地址的压入和弹出，并进行强制返回地址检查。使用多个 shadow stack 的原因是程序可能会有多个线程，这样就可以为每个线程都维护一个 shadow stack。