8.4 ROPdefender: A Detection Tool to Defend Against Return-Oriented Programming Attacks
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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:
1
b8 13 00 00 00 mov $0x13, %eax
2
e9 c3 f8 ff ff jmp 3aae9
Copied!
偏移两个十六进制后的 unintended instruction:
1
00 00 add %al, (%eax)
2
00 e9 add %ch, %cl
3
c3 ret
Copied!
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
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
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. 1.
    程序的每条指令都在 DBI 的控制下执行
  2. 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。
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