ARMアーキテクチャにおけるセキュリティ機構の紹介

1. ARMアーキテクチャにおけるセキュリティ機構の紹介[1]
@fmirx0723
2020/11/30 Ritsumeikan Security Team
[1] : https://developer.arm.com/architectures/learn-the-architecture/providing-protection-for-
complex-software

2. はじめに
○ARMv8-A以降のプロセッサに実装されているセキュリティ機構についていくつか
紹介する
l ARM : 組込み（IoT）機器などの低電⼒アプリケーションで⽤いられるプロセッサアーキテクチャ
l ARMv8以降から64bitにも拡張され，これまでより⼤きいアドレスが扱える
1. PAC（Pointer Authentication Code）
2. BTI（Branch Target Identification）
3. MTE（Memory Tagging Extension）
○ハードウェアで実装される機能のため，（ソフトウェアより）⾼速（無駄がない）
2020/11/30 Ritsumeikan Security Team
1

3. PAC（Pointer Authentication Code）
2020/11/30 Ritsumeikan Security Team

4. PACの概要
○PACでは，ポインタに認証コードを埋め込むことで，ポインタ書き換えの検出が
可能となる
l リターンアドレスが書き変わっている時に，認証されていなアドレスの場合，そのアドレスへの
アクセスはリジェクトされる
l ROP，ret2*の検出が可能になる
2020/11/30 Ritsumeikan Security Team
3
function :
FUNCTION BODY
return
AAAA
gadget addr
gadget addr
gadget
…
pop ebx;
ret;
…
SP
gadget addr
は認証されて
ない
スタック領域

5. ポインタへの認証コードの埋め込み
○ARMでは，アドレスを64bitのレジスタに格納するが，実際には40bitまでしか
アドレスとして使⽤しないため，その使⽤しないbitを使⽤する
l Linuxにおける仮想アドレス空間のレイアウト[2]では，
仮想アドレスの上位12bitが，カーネル空間の時0xFFFで，ユーザ空間の時0x000となっている
l 上位12bitに，PACとカーネル・ユーザ空間を⽰すビット（high/low）を埋め込むことができる
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4
Address
VA_SIZE - 1
PAC
PAC
VA_SIZE
54
55
56
63
high / low
[2]: Documentation/arm64/memory.txt

6. PACによるROPの検知
○ ポインタの認証を⾏うための命令が追加されている
l 認証コードを⽣成してポインタに埋め込む命令︓ PAC*
l 認証コードを検証してポインタを復元する命令︓ AUT*
l ポインタ認証機構が実装されていないCPUではNOP命令扱いになる
→ 後⽅互換性
○ gccのオプション-sign-return-addressを付与することで，上記命令が挿⼊される
1. PACIASPで，認証コードを⽣成し，LRに埋め込む
l 関数の開始時，LR（Link Register）には戻り先アドレスが格納されている
2. AUTIASPで，スタックからLRに復元した戻り先アドレスを認証する
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5
function :
PASIASP ; create PAC
stp FP, LR, [SP, #0] ; store LR
… ; function body
ldp FP, LR, [SP, #0] ; load LR
AUTIASP ; authenticate
ret ; return

7. PACの⽣成
○ 複数のキー（128bit）が⽤意されており，各キーは64bitのシステムレジスタ
（カーネルモードからしかアクセスできない）に格納される
l 命令アドレスへのポインタ⽤のキーが2つ
l データアドレスへのポインタ⽤のキーが2つ
l 汎⽤キーが1つ
l 命令・データアドレスについて，PACの⽣成と検証を⾏う命令は，どちらのキーを使⽤するか指定する
○ 認証コード⽣成アルゴリズムは，IMPLEMENTED DEFINE（プロセッサの実装による）
l アルゴリズムには，QARMAが推奨されている
○ 認証コード⽣成には，ポインタとキー，Modifier（例えばスタックポインタ）が⽤いられる
l スタックポインタは，呼び出す時と返る時に値が同じ
l PACIASPの場合，命令アドレスへのポインタをキーAとSPを⽤いて認証コードを⽣成する
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6
Pointer
Key
Modifier
P +
PAC Pointer + PAC

8. PACの検証
○認証命令は，PACを再⽣成し，ポインタと⽐較する
○認証に成功した場合，PACを取り除いた値を返す
○認証に失敗した場合，無効なポインタを返す
→MMUフォルト例外が発⽣する
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7
Pointer + PAC
Key
Modifier
P PAC Pointer
=
Invalid
Pointer

9. BTI（Branch Target Identification）
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10. BTIの概要
○ROPと似た攻撃⼿法に，JOP（Jump Oriented Programming）がある
○JOPでは，BLRやBR命令を使⽤して，任意の位置に制御を移しながら攻撃を⾏う
○BTIでは，BLRやBR命令の⾶び先としてBTI命令のみを許可する
l JOPで任意の位置に⾶び先を指定できなくなる（Gadgetsの数が減る）
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9
code
…
ADD
…
脆弱なコード
…
…
BR X9;
…
code
…
BTI
…
脆弱なコード
…
…
BR X9;
…
BTI命令以外に⾶べない BTI命令には⾶べる

11. BTIの有効化
○PTEのGPビットが⽴っている時に，そのアドレス範囲でのBTIが有効になる
○BTIで保護されたコードとレガシーなコードが混在できる
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10
仮想アドレス空間
BTI protected code
BTI protected code
Legacy code
Legacy code
GP = 1
GP = 1
GP = 0
GP = 0
物理アドレス空間

12. BTYPEフィールド
○PSTATE（プロセッサの状態を保持するフラグ）に，分岐タイプを⽰すBTYPEフィー
ルドがある
○BTYPEフィールドの値は，BTI命令の引数によって設定され，異なる種類の分岐に対
して有効となる
l BTI C︓ 関数呼び出しで使⽤される
l BTI J︓ BRによる呼び出しのみで有効
l BTI JC︓ BTI CとBTI Jの両⽅の働きをし，かつ，BLRなどの命令のターゲットにもなる
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11

13. MTE（Memory Tagging Extension）
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14. MTEの概要
○ Use After Freeやバッファオーバフローなどのメモリ管理に関する脆弱性に対する攻撃への
対策として，MTE（Memory Tagging Extension）が実装されている
○ MTEは，メモリへのタグ付けを⾏う（タグ⽤のアドレス空間が，別途，⽤意されている）
○ PACと同様，仮想アドレスの上位ビットにタグを付与し，メモリに割り当てられたタグと
⽐較することでアクセスの安全性を検証する
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仮想アドレス空間
Region A
Region B
9
9
2
2
2
0x0900 0000 c410 7168
0x0200 0000 c410 7168
0x0900 0000 c410 7168

15. Use After Freeの検出
○Use After Freeは，Freeした後の領域にアクセスする脆弱性がある時に使える
攻撃⼿法
○malloc()を呼び出すと，プロセスに割り当てるメモリにタグを付与して返す
○メモリに割り当てられたタグは，freeされる時に更新しされる
○freeされた領域に，malloc()から得られたメモリアドレスでアクセスしようとすると，
タグが⼀致しないため，リジェクトされる
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14
仮想アドレス空間
Region B
1
2
2
2
1
1
…
free(pBuffer);
…
pBuffer[3] = 5;
… tag=3

16. まとめ
○PACでは，アドレスとして使⽤されないビットに認証コードを埋め込むことで，
戻り先アドレスなどで使⽤するアドレスが正しいかを判断できる→ROP対策
○BTIでは，分岐先のターゲットとなる専⽤の命令を⽤意することで，
Gadgetsの数を減らすことができる→JOP対策
○MTEでは，メモリにタグ付けを⾏うことでメモリアクセスの安全性を
検証することができる→Use After Free脆弱性の検知
興味を持った⼈は，以下の資料も読んでみてほしい
（今回読んでないので，読んだ時には教えて欲しい）
l iPhone XSを例に挙げたPACの実験︓
https://googleprojectzero.blogspot.com/2019/02/examining-pointer-authentication-
on.html
l PACの論⽂（攻撃⼿法なども記述されている）︓
PAC it up: Towards Pointer Integrity using ARM Pointer Authentication
l AndroidでのMTE︓
https://security.googleblog.com/2019/08/adopting-arm-memory-tagging-extension.html
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17. 補⾜資料
2020/11/30 Ritsumeikan Security Team

18. Return Oriented Programming
○コード領域に存在するret命令で終わる機械語の断⽚をGadgetsと呼ぶ
○Gadgetsを組み合わせて任意の処理を実⾏させる攻撃⼿法をROPと呼ぶ
l リターンアドレス書き換えの位置は固定 → ASLR回避
l コード領域は，実⾏可能属性 → DEP回避
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AAAA
gadget addr
gadget addr
コード領域
スタック領域
gadget
…
add eax, 4;
ret;
…
gadget
…
pop ebx;
ret;
…
コード領域
脆弱なコード
…
…
ret;
…
書き換えられた
リターンアドレス
に⾶ぶ