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ARMv8 gadget的构成及其优势

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第3页 Return-Oriented Programming on ARMv8-A

摘要： ARM公司在设计ARMv8-A体系架构的同时，采用了一系列新的技术来增强其安全性。然而针对ARMv8-A处理器架构，攻击者是否有可能以及如何来实施攻击，这一切尚未见有公开文章报道。返向编程技术是目前针对ARM架构普遍使用的攻击技术，本文首先总结并提出了ARMv8-A处理器架构上实施ROP攻击的必要条件，接着论述分析发攻击者为达成ARMv8 ROP攻击各个必要条件的可能的做法，并针对ARMv8架构的特性，提出了一种混合使用以ret指令和br指令结尾的短指令序列构造攻击的攻击方法，最后给出了ARMv8 ROP

shellcode的具体实例。据我们所知，本文是第一个给出ARMv8 ROP shellcoe实施实例的文章，本文的研究将对ARMv8架构上的安全防御起到积极作用。

关键词：ARMv8;返回导向编程；指令序列；

二．概述

2.1 ARMv8架构下gadget的构成

ROP攻击是通过利用库文件和可执行文件中的指令片段（gadget）实施攻击的。每个gadget都以一个分支指令结尾，并且完成一个特定的功能，例如mov、add、and等等。本文中将混合使用以ret指令和br指令结尾的gadget。本文中混合使用以ret指令和br指令结尾的gadget将具有以下优势。

（1）本文中混合使用以ret指令和br指令结尾的gadget减少了ROP攻击的特性。虽然仅仅使用以ret指令结尾的gadget也可完成ARMv8架构下的ROP攻击，但是ret指令使用的频率成为其一个严重的特点，研究者只需要将x86架构下的针对ROP攻击的防御技术（ROPdefender或DeROP等）简单的移植到ARMv8架构下，就可以有效的防御ROP攻击。本文混合使用以ret指令和br指令结尾的gadget减少了ROP攻击的特性，使其具有更好的隐蔽性，给防御技术带来了巨大的挑战。

（2）本文中混合使用以ret指令和br指令结尾的gadget减小了ROP shellcode 的大小，在一定程度上提高了ROP攻击的效率。例如我们通过gadget链来完成一个连续求和运算，为了简便，本文仅作三个数的连续求和（1+2+3）。我们使用两种gadget链完成。一种是使用仅以ret指令结尾的gadget，如图1中的（a）所示；另一种是混合使用以ret指令和br指令结尾的gadget，如图1中的（b）所示。假设x3寄存器中已经实现存储了gadget（5）的开始地址，并且在这里不考虑NUILL字节的问题。在内存中，我们没有用到的闲置内存全部用字符Ａ填充。 第13页

图1 ARMv8架构gadget对比图

图1中的gadget是在libc.so.6库文件中搜索到的，每个gadget的第一行都是该gadget的开始地址。gadget（2）和gadget（4）完成同样的功能，即将x1寄存器和x2寄存器中的内容相加，结果保存到x1寄存器中。gadget(3)和gadget(5)具有同样的功能，即从当前栈顶读取一个常数到x2寄存器。

对于图1中的（a），首先从当前栈顶读取连个常数（1和2）分别放到寄存器x1和x2，然后sp加上32，将当前栈顶的数据（gadget（2）的开始地址0x7c834）放到寄存器x30，之后sp加上16，程序跳转到gadget（2）执行。ret指令为ARMv8架构下的返回指令，其默认返回到x30寄存器中的地址执行。gadget(2)将两个数据相加结果保存到x1寄存器中，然后从当前栈顶把gadget（3）的地址0x8d598加载到寄存器x30.程序跳转到gadget（3）执行，gadget(3)将常数3保存到x2中，然后从栈顶把gadget(2)的地址加载到x30寄存器中，程序跳转到gadget（2）执行，最终完成“1+2+3”的求和操作。通过计算，（a）中的shellcode共有88个字节。

对于图1中的（b）gadget的执行顺序和功能和（a）相同，不同的是（b）中gadget（4）完成两个数的相加后没有使用ret指令实现跳转，而是使用br指令实现跳转，此时x30寄存器中存放的仍然是gadget(2)的开始地址。程序跳转到gadget3后，从当前栈顶将数据3读取到寄存器x2，然后直接使用ret指令实现跳转，即程序将会返回到x30寄存器中的地址（gadget（2）的开始地址0x7c834）执行，（b）同样完成了“1+2+3”求和的功能。（b）shellcode的大小是56个字节，相比于（a）shellcode节省了32个字节。如果计算从1加到100的和，将会节省更多的空间。

2.2 构造ARMv8 ROP攻击的可行性

本节我们研究普通的库和可执行代码中构造ARMv8架构下ROP攻击的可行 性。ARMv8架构下ret指令和br指令的编码格式如图2所示。

第3页

图2 ARMv8架构分支指令编码

其中op表示指令的操作码，其含义如表1所示。Rn为存放目的地址的寄存器。

表1 op编码表

架构 op编码 汇编指令

ARMv8 00 br reg

10 ret reg

本文在linaro ARMv8 linux（linux version 3.6.0-1-linaro-vexpress64）的/bin和/usr/bin目录下存在178个应用程序，其所依赖的库文件引用统计如表2所示。从表2中可以看出库文件libc.so.6和ld-linux-aarch64.so.1使用的频率非常高，几乎所有的应用程序都依赖这两个库文件。本文中将在这两个常用的库文件中进行分析，统计ret指令和br指令的个数，统计结果如表3所示。

表2 linaro ARMv8 linux基本命令的库文件引用统计

库文件 使用次数 百分比

linux-vdso.so.1 178 100%

libc.so.6 178 100%

ld-linux-aarch64.so.1 178 100%

libgcc_s.so.1 49 27.5%

libdl.so.2 30 16.9%

libz.so.1 21 11.8%

libpthread.so.0 12 6.7%

libcrypt.so.1 11 6.2%

librt.so.1 9 5.1%

libelf.so.1 8 4.5%

从表3中我们可以看出在大小为1245096字节的libc.so.6库和大小为116344字节的ld-linux-aarch64.so.1库中ret指令分别有6067个和729个，br指令分别有３2056个和378个，其数目可以提供足够的ARMv8架构下ROP攻击中使用的gadget。

第13页 表3 库中转移指令数目统计

汇 编

指 令 libc.so.6 ld-linux-aarch64.so.1

指令

数目 百分比 库大小 指令

数目 百分比 库大小

ret 6067 0.48% 1245096 729 0.63% 116344 br 2056 1.6% 378 0.32%

三．ARMv8架构下ROP攻击的设计与实施

本文的第二章已经说明了AARMv8架构下的ROP攻击的可行性，本章将主要介绍ARMv8架构下ROP攻击的原理和流程。

3.1 挑战

ARMv8 linux上要构建ROP shellcode，会面临以下的挑战和问题。

（1）ARMv8上漏洞利用及控制流劫持方法

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ARM架构是当前广泛使用的计算机处理器架构之一。它在移动设备、嵌入式系统和服务器等领域得到了广泛应用。本文将介绍ARM硬件设计的知识点，帮助读者了解ARM架构及其相关概念。

一、ARM架构简介

ARM架构最初由Acorn计算机公司在1980年代开发，旨在设计一种低功耗、高效能的处理器架构。与Intel的x86架构相比，ARM架构具有更好的功耗和性能优势，逐渐成为移动设备市场的主导架构。ARM处理器包含一系列不同的产品系列，如Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M等，适用于不同的应用领域。

二、ARM指令集

ARM指令集是ARM架构的核心组成部分，它定义了处理器执行的指令集合。ARM指令集可以分为三类：ARM指令集、Thumb指令集和Thumb-2指令集。ARM指令集用于执行32位指令，提供了更高的性能；Thumb指令集用于执行16位指令，具有更小的存储空间和更低的功耗；Thumb-2指令集则是ARMv6指令集的扩展，可以以混合指令的形式执行16位和32位指令。

三、ARM寄存器

ARM处理器具有一组通用寄存器，用于存储数据和中间计算结果。在32位ARM指令集中，一共有16个通用寄存器，以R0-R15表示。其中，R13-R15寄存器用于存储堆栈指针、链接寄存器和程序计数器。ARM处理器还具有一组特殊寄存器，如程序状态寄存器（PSR）、当前程序状态寄存器（CPSR）和保存的程序状态寄存器（SPSR），用于控制处理器的执行状态和处理异常。

四、ARM中断和异常处理

ARM处理器支持多种中断和异常处理机制。其中，中断分为IRQ（普通中断请求）和FIQ（快速中断请求）两种类型，允许外部设备通过中断请求与处理器进行通信。异常是由于处理器执行过程中出现的非预期情况所引起的，如除零错误、数据访问异常等。ARM处理器通过中断向量表和异常向量表来处理中断和异常，使得系统能够快速响应和处理这些事件。

ARM架构资料

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ARM（Advanced RISC Machine）是一种由英国公司ARM Holdings开发的低功耗、高性能的处理器架构。它被广泛应用于手机、平板电脑、嵌入式系统和其他便携式设备中。下面将介绍ARM架构的发展历程、特点以及在各个领域中的应用。

1.发展历程：

2.架构特点：

(1)精简指令集（RISC）：ARM架构采用精简指令集，简化了指令集的设计和处理器结构，提高了执行效率和性能。

(2)低功耗：ARM架构的设计非常注重低功耗，便携式设备通常使用ARM处理器，以延长电池寿命。

(3)多核处理：ARM架构支持多核处理，可以在单一芯片上集成多个处理器核心，提高并行计算能力。

(4)异构计算：ARM架构被广泛应用于异构计算领域，将CPU与GPU、DSP等不同类型的处理器结合，以实现更高的计算性能和能效比。

3.应用领域：

(1) 移动设备：ARM架构广泛用于手机、平板电脑等移动设备。ARM处理器的低功耗、高性能和丰富的生态系统使得它成为移动设备的首选。例如，苹果公司的iPhone和iPad系列产品都采用ARM架构的处理器。

(2)嵌入式系统：ARM架构在嵌入式系统领域得到了广泛应用。由于低功耗和高性能的特点，ARM处理器成为各种嵌入式设备的首选，如智能家居、工业控制、智能交通系统等。 (3) 互联网 of Things（物联网）：ARM架构在物联网领域也有很大应用。物联网设备通常需要低功耗、高效能的处理器，ARM处理器的特点正符合这一需求。物联网中的传感器、智能家居设备、智能城市等都可以使用ARM处理器。

(4)高性能计算：ARM架构也在高性能计算领域迅速发展。近年来，ARM架构处理器在超级计算领域取得了一定的突破，被用于构建高性能、低功耗的超级计算机。

总结：

arm指令集类型

arm指令集类型

arm指令集类型

摘要：

一、arm 指令集简介

1.arm 指令集的发展历程

2.arm 指令集的优势和特点

二、arm 指令集的类型

1.armv1 和 armv2 指令集

2.armv3 指令集

3.armv4 指令集

4.armv5 指令集

5.armv6 指令集

6.armv7 指令集

7.armv8 指令集

三、arm 指令集的应用领域

1.嵌入式系统

2.移动设备

3.服务器和数据中心

4.物联网设备

正文：

arm 指令集类型

随着科技的飞速发展，arm 指令集在现代处理器中扮演着举足轻重的角色。arm 指令集以其高性能、低功耗和强大的兼容性在全球范围内得到了广泛的应用。本文将对 arm 指令集的类型进行详细的介绍。

一、arm 指令集简介

arm 指令集起源于英国 Acorn 计算机公司，后由 ARM 公司进行进一步研发和推广。它具有高性能、低功耗、指令集简单、开发成本低等优点。arm

指令集在嵌入式系统、移动设备、服务器和数据中心等领域有着广泛的应用。

二、arm 指令集的类型

arm 指令集从 armv1 到 armv8，共经历了八个版本的迭代。

1.armv1 和 armv2 指令集：这是 arm 指令集的早期版本，主要用于嵌入式系统。

2.armv3 指令集：在 armv2 的基础上进行了改进，增加了浮点运算指令。

3.armv4 指令集：引入了 Thumb-1 指令集，是一种基于 arm 指令集的压缩指令集，可以减少程序的存储空间和运行时间。

4.armv5 指令集：对 armv4 指令集进行了优化，提高了性能。

5.armv6 指令集：引入了 Thumb-2 指令集，是对 thumb-1 指令集的升级，增加了更多的指令，提高了性能。

6.armv7 指令集：在 armv6 的基础上进行了改进，引入了 VFPv3 和

armv8指令集 浮点运算

armv8指令集 浮点运算

armv8指令集 浮点运算

ARMv8指令集浮点运算

浮点运算是计算机科学中十分重要的一部分，它涉及到处理实数和浮点数的运算。在ARMv8指令集中，浮点运算是通过一系列特定指令来实现的。本文将介绍ARMv8指令集中与浮点运算相关的指令及其功能。

1. 浮点寄存器和操作数：

ARMv8指令集提供了32个64位浮点寄存器（F0到F31）和32个32位浮点寄存器（S0到S31）。这些寄存器用于存储浮点数和执行浮点运算。浮点寄存器的使用方式和通用寄存器类似，可以存储单精度浮点数（32位）或双精度浮点数（64位）。

浮点操作数可以包含在浮点寄存器中，也可以存储在内存中。浮点指令可以对浮点寄存器和内存中的浮点操作数进行运算。

2. 浮点指令类型：

ARMv8指令集中的浮点指令可以分为以下几种类型：

- 浮点单精度指令（V协处理器）：用于对浮点寄存器S0到S31进行单精度浮点数的操作，如加法、减法、乘法和除法。

- 浮点双精度指令（V协处理器）：用于对浮点寄存器D0到D31进行双精度浮点数的操作，如加法、减法、乘法和除法。

- 浮点通用指令（VFP指令集）：用于对浮点寄存器和内存中的浮点操作数进行运算，包括单精度浮点数和双精度浮点数。

- 浮点数据传输指令（NEON指令集）：用于在浮点寄存器和内存之间传输浮点数据，包括单精度浮点数和双精度浮点数。 3. 浮点指令示例：

下面是一些ARMv8指令集中常用的浮点指令的示例：

- FADD：这个指令用于将两个单精度浮点数相加，并将结果存储在指定的浮点寄存器中。

- FSUB：这个指令用于将两个单精度浮点数相减，并将结果存储在指定的浮点寄存器中。

- FMUL：这个指令用于将两个单精度浮点数相乘，并将结果存储在指定的浮点寄存器中。

- FDIV：这个指令用于将两个单精度浮点数相除，并将结果存储在指定的浮点寄存器中。

类似地，对于双精度浮点数，可以使用相应的指令，如DADD、DSUB、DMUL和DDIV。