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# 8.4 ROPdefender: A Detection Tool to Defend Against Return-Oriented Programming Attacks
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[paper](https://www.ei.ruhr-uni-bochum.de/media/trust/veroeffentlichungen/2010/12/14/HGI-TR-2010-001.pdf)
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## 简介
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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。
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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。
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## 背景
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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。
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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。
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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：
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intended instruction：
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```text
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b8 13 00 00 00 mov $0x13, %eax
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e9 c3 f8 ff ff jmp 3aae9
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```
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偏移两个十六进制后的 unintended instruction：
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```text
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00 00 add %al, (%eax)
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00 e9 add %ch, %cl
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c3 ret
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```
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这样的返回不会被备份到 shadow stack 中，因此也不会被检测到。
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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。
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## 解决方案
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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。
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与现有方法不同的是：
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- 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
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- ROPdefender 还能处理各种特殊的情况
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整体思想如下图所示：
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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。
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## 实现细节
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基于 Pin 动态二进制插桩（DBI）框架的实现如下图所示：
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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：
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1. 程序的每条指令都在 DBI 的控制下执行
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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
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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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