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绕过Windows Control Flow Guard思路分享

前言

本文的主要内容来源于2018NDSS的文章 Back To The Epilogue: Evading Control Flow Guard via Unaligned Targets.

通常，攻击者可以通过利用内存漏洞来截获控制流。但是研究人员也提出了各种各样的防御手段避免发生这样的问题，例如地址空间随机化（ALSR），异或执行(XOR Execute)，控制流完整性（CFI）等各种各样的防御措施。CFI通过强制控制流完整性保证程序的执行不会出现问题，目前部署最为广泛的CFI是windows提供的control flow guard（CFG）。CFG目前部署在最新的Windows 8.1，Windows 10上，已经超过了5亿使用量。因此一旦在CFG上出现问题，可能导致非常严重的后果。

Windows CFG实现

Windows的CFI实现称为Control Flow Guard（CFG），因为实际的性能要求，不可能做到非常精确的CFI，因此，实际在windows上部署的CFI是粗粒度的、前向CFI。首先，粗粒度的CFI是：所有的有效跳转地址为一个全局的集合，即不精确的为每一个间接跳转指定一个有效跳转地址；其次，什么叫做前向CFI：只考略call，jump的直接跳转和间接跳转，没有计算ret的情况。此外，Windows CFG实现还依赖于bitmap表，该表存储的信息是关于目标地址是否有效的一张表。bitmap表中的两位与实际地址的16byte一一对应，因此有四种情况：

00：该地址范围没有有效的跳转地址
01：地址范围包含导出抑制表目标
10：只有16位对其的地址有效（该范围的第一个地址）
11：地址范围的所有地址均有效

因此，可以看出一个非常明显的漏洞：

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在编码为11的情况在，整个16位地址均为有效跳转地址，此时，如果存在间接跳转漏洞，例如：jump [eax] (eax = 0×1007)，当eax的值可以修改的时候，跳转地址可以跳转到0×1007地址的上面的指令，（add rsp, 0×40）这是Windows CFG的设计漏洞之一。其次，由于Windows CFG是前向的CFI防御，因此不能阻止重写return address的情况，则利用该特点，如果可以改写ret addr，也可以达到绕过CFG的目的。

Bypass CFG

在论文中提到了一种绕过CFG的方法，该方法和以往的绕过相比较：

需要更少的栈控制，只需要控制栈顶的区域即可

灵活性更大，在实际攻击场景中可以复现

所需gadget在Windows系统中广为存在

文章定义了两种gadget，通过两种gadget的配合可以实现绕过CFG。定义P(p)R(r) gadget：

该gadget是一个有效的CFG目标

该gadget是一条 add {e, r}sp, m 指令，可以不存在

该gadget是n条 pop 指令，可以不存在

该gadget是一条 ret r 指令，r可以为0

p = m + wn（w是一个字的长度，32-bit是4，64-bit是8）

这样一系列定义其实描述了程序函数调用结束的操作。例如上图中有效代码段

add rsp, 0x40
pop rdi
pop rbx
ret

根据定义，该gadget可以定义为P(80)R(0)，p = 64 + 8 * 2, r = 0。该gadget链主要目的是更改栈帧的位置，以便修改ret addr。在32位系统中，参数传递是通过栈来传递，通过改变参数即可以影响栈中的内容，通过这种方式可以达到修改ret addr的目的。然而，在64位系统中参数传递是通过寄存器完成的，因此，栈中的内容一般不会被影响，所以重新定义了 S gadget 以便可以修改栈中内容。通常一个尾调用优化可能产生S gadget。

定义S gadget:

该gadget是一个有效的CFG目标

该gadget溢出n个寄存器到寄存器参数区域（RPA）

该gadget以一个受控制的间接跳转结束

S(2) gadget DEMO

mov [rsp + 0x8], rcx
mov [rsp + 0x10], rdx
sub rsp, 0x40
...
mov rax, [rcx]
mov rax, [rax + 0x20]
add rsp, 0x40
jmp [dispatch_fptr]

rcx, rdx一般在Windows 64-bit函数调用中是作为第一个参数和第二个参数，假设参数可以被攻击者控制，则在这段gadget中，一个被攻击者控制的参数被传入栈中，即有机会修改ret addr。

下图展示了一个PR-P链的连接过程：

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Attack

如何利用PR，P gadget进行攻击，论文中以Edge作为攻击目标，实施远程攻击。首先需要知道object在内存中的地址，因此需要有地址泄露的过程，其次，我们需要伪造一些数据，要有一定的写内存操作。在攻击的Demo中，利用CVE-2016-7200和CVE-2016-7201两个Edge漏洞，达到地址泄露和任意内存读写的权限。

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S(2) gadget

1 ; @ chakra+0x31f0000
2 chakra!ScriptEngine::EnumHeap:
3 mov r11, rsp
4 ; Spill arguments to RPA
5 mov [r11+0x10], rdx
6 mov [r11+0x8], rcx
7 ; Allocate stack frame
8 sub rsp, 0x28
9 ; Prepare call to rcx->__vfptr[10]
10 mov rax, [rcx]
11 mov r8, rdx
12 xor edx, edx
13 mov rax, [rax+0x50]
14 ; Deallocate stack frame
15 add rsp, 0x28
16 ; Perform indirect call via CFG
17 jmp cs:__guard_dispatch_icall_fptr

P(16)R(0) gadget

pop rdi
pop rsi
ret

目标函数是JavascriptFunction::HasInstance虚函数，首先定位JavascroptFunction object在内存中的位置，通过修改VTable pointer指向一个伪造的VTable，其中instanceof函数在VTable中的位置为0×200，将该函数修改为S(2) gadget 地址。当instanceof函数调用时即执行S(2) gadget。

S gadget 得到一个指向JavascroptFunction object的指针作为第一个参数，指向Var的指针做为第二个参数，S gadget 在第5行和第6行将参数放入栈中。第13行将JavascroptFunction偏移0×50的放入rax中，之后jmp rax执行P(16)R(0) gadget。

我们只需要设置一个自己构造的Var指针，即可截获控制流。

截获控制流之后，便可以通过传统的ROP进行攻击。