Missing the Point (er): On the Effectiveness of Code Pointer Integrity, S&P 2015.

[Azard]

Missing the Point (er): On the Effectiveness of Code Pointer Integrity, S&P 2015.

[tcbbd]

2014年CPI (Control Pointer Integrity)作为一种新的防止控制流劫持的手段被提出，通过保护Code Pointer的方式防止攻击，性能表现优异，最大开销平均不超过10%。然而，其设计用于保护Code Pointer的Safe Region可以利用Data Pointer的overwrite漏洞攻击，而Data Pointer是CPI为了性能而没有保护的，本文利用这一点提出了可以攻破CPI保护的攻击技术，并在Nginx服务器上做了实际测试。

根据CPI的论文，我们假设被保护的程序同时开启了DEP和ASLR，再此基础上要进行攻击。攻击的要点有二：

• CPI的Safe Region在x86-64及ARM架构上并没有利用硬件或软件机制保护起来防止访问或修改，而是基于信息隐藏。作者认为由于程序本身没有指针指向Safe Region，其中的数据也就不会泄露，这一假设是错误的，我们可以通过_基于时间的侧信道攻击_来获取其中的数据。
• 作者认为其Safe Region在程序本身不暴露其位置，为了获取其位置势必进行猜测并引起崩溃，只需监测暴力破解时产生的异常数量崩溃事件即可及时发现攻击，但实际上可以在_一次崩溃都不引发_的情况下定位Safe Region（约需98小时，由于太慢另外实现了一种允许导致崩溃的攻击，需6秒，实验中引起了13次崩溃，会议演讲时再次演示，引起了10次崩溃）。

以上两点突破了CPI作者所认定的前提条件，暴露了CPI的一些问题。

[tcbbd]

具体如何攻击不一定要写进abstract，熊神你先看下他怎么攻击的，这个侧信道脑洞很大

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来看具体的攻击细节：

• 首先，我们需要利用一种漏洞来实现data pointer overwrite，并且该data pointer指向的数据同时影响了之后的控制流运行。例如控制了ptr指针的值，如下所示：

i = 0;
while (i < ptr->value) {
  i++;
  doSomeWork();
}

• 则此时可以通过改变ptr的值，读取出不同内存地址的值，造成代码执行时间不同，从而对进攻者而言服务器的响应时间不同。根据响应时间，可以估计任意内存地址的值，此即基于时间的侧信道攻击。
• 由此我们可以在堆内存区域选择一个地址，通过侧信道攻击读取其值。由于CPI本身设计的疏漏，我们可以100%保证第一次一定可以选中Safe Region内的地址。
• 命中Safe Region后，以一个libc的大小为单位，向高地址检查（通过侧信道读取），直到命中libc。由于Safe Region大小有2^42，十分稀疏几乎全由0构成，故可以通过是否为0判断是否命中libc（这导致我们只需要30个sample即可判断一个Byte的内存，因为精确度要求很低）。
• 命中libc后，可以同本地的libc镜像进行模糊匹配，大约需要70Bytes，每个Byte需要10000个sample，才能确定当前在libc中的位置（因为此时需要对Byte的具体值给出精确估计）。一旦确定，就可倒推出libc的起始地址，减去2^42即为Safe Region的起始地址。
• 根据此信息，以及CPI的具体实现，我们可以修改Safe Region中对应我们想修改的Code Pointer的项，使其允许指向一个ROP chain的起始，来引起一次ROP攻击，从而最终完成攻击。

这个攻击需要花费98小时，其中搜索libc需97小时，判断在libc中的位置需1小时，效率非常低。因此，提出了会导致崩溃，但速度快很多的算法：

• 在搜索libc阶段，为了总是访问有效的地址，一次只搜索一个libc的长度，是线性搜索。此处将其改为二分搜索，已知libc可能出现的范围，只需进行二分搜索即可，最多需19次可找到libc，但显然会引起若干次崩溃（libc比尝试的地址低）。
• 在确定libc中位置的阶段，可以不断向高地址前进，直到发生崩溃，这样可迅速定位到libc中会引起崩溃（不可读）的内存位置或libc的边界，且正确率不受影响（这样的点很少，特征明显）。

利用这个算法，可以做到6秒攻破使用CPI防御的Nginx服务器，引起10次左右的崩溃，已具备较高的实用性。