# 8.2 Return-Oriented Programming without Returns


## 简介
论文提出了一种不依赖于使用 return 指令的 ROP 技术。这种攻击方法是在 libc 中找到一些特定的指令序列，来替代 return 指令，完成和 return 同样的工作。这些指令具备图灵完备性，已经在 (x86)Linux 和 (ARM)Android 中被证实。

由于该攻击方法并不使用 return 指令，所以那些基于 return 原理实现的 ROP 防御技术就失效了。


## 背景
正常程序的指令流执行和 ROP 的指令流执行有很大不同，至少存在下面两点：
- ROP 执行流会包含了很多 return 指令，而且这些 return 指令只间隔了几条其他指令
- ROP 利用 return 指令来 unwind 堆栈，却没有与 `ret` 指令相对应的 `call` 指令

针对上面两点不同，研究人员提出了很多 ROP 检测和防御技术：
- 针对第一点不同，可以检测程序执行中是否有频繁 return 的指令流，作为报警的依据
- 针对第二点不同，可以通过 call 和 return 指令来查找正常程序中通常都存在的后进先出栈里维护的不变量，判断其是否异常。或者维护一个影子堆栈（shadow stack）作为正常堆栈的备份，每次 return 时对比影子堆栈和正常堆栈是否一致。
- 还有更极端的，在编译器层面重写二进制文件，消除里面的 return 指令

所以其实这些早期的防御技术都默认了一个前提，即 ROP 中必定存在 return 指令。所以反过来想，如果攻击者能够找到既不使用 return 指令，又能改变执行流执行任意代码的 ROP 链，那么就成功绕过了这些防御。


## ROP Without Returns
于是不依赖于 return 指令的 ROP 技术诞生了。

我们知道 return 指令的作用主要有两个：一个是通过间接跳转改变执行流，另一个是更新寄存器状态。在 x86 和 ARM 中都存在一些指令序列，也能够完成这些工作，它们首先更新全局状态（如栈指针），然后根据更新后的状态加载下一条指令序列的地址，最后跳转过去执行（把它们叫做 update-load-branch 指令序列）。使用这些指令序列完全可以避免 return 指令的使用。

就像下面这样，`x` 代表任意的通用寄存器：
```
pop x
jmp *x
```
`r6` 通用寄存器里是更新后的状态：
```
adds r6, #4
ldr r5, [r6, #124]
blx r5
```

由于 update-load-branch 指令序列相比 return 指令更加稀少，所以需要把它作为 trampoline 重复利用。在构造 ROP 链时，选择以 trampoline 为目标的间接跳转指令结束的指令序列。当一个 gadget 执行结束后，跳转到 trampoline，trampoline 更新程序全局状态，并将程序控制交给下一个 gadget，由此形成 ROP 链。

跳转攻击流程的原理如下图所示：

![](../pic/8.2_rop_without_ret.png)

在 x86 上，我们使用一个寄存器 y 保存 trampoline 的地址，那么以间接跳转到 y 结束的指令序列的行为就像是以一个 update-load-branch 指令结束一样。并形成像 ROP 链一样的东西。这种操作在 ARM 上也是类似的。


## x86 上的具体实现
x86 上的 return 指令有如下效果：
1. 检索堆栈顶部的 4 个字节，用它设置指令指针 eip
2. 将堆栈指针 esp 值增加 4

传统的 ROP 就是依靠这个操作将布置到栈上的指令片段地址串起来，依次执行。

现在我们考虑下面的指令序列：
```
pop %eax; jmp *%eax
```
它的行为和 return 很像，唯一的副作用是覆盖了 eax 寄存器的内容。现在假设程序的执行不依赖于 eax 寄存器，那么这一段指令序列就完全可以取代 return，这一假设正是本论文的关键。

首先，我们当然可以把 eax 换成其它任意一个通用寄存器。其次，比起单间接跳转，我们通常使用双重间接跳转：
```
pop %eax; jmp *(%eax)
```
此时 eax 寄存器存放的是一个被叫做 sequence catalog 表中的地址，该表用于存放各种指令序列的地址，也就是类似于 GOT 表的东西。第一次跳转，是从上一段指令序列跳到 catalog 表，第二次跳转，则从 catalog 表跳转到下一段指令序列。这样做使得 ROP 链的构造更加便捷，甚至可以根据某指令序列相对表的偏移来实现跳转。

下图是一个函数调用的示例：

![](../pic/8.2_function.png)