指针认证

简介

指针认证是一种机制，通过这种机制，某些指针会被签名。当一个指针被签名后，它的值以及其他值（pepper 和 salt）的密码学哈希值会被存储在该指针的未使用位中。

在使用指针之前，需要对其进行认证，即检查其签名。这可以防止来源不明的指针值被用来替换已签名的指针值。

有关更多详细信息，请参阅 clang 文档页面 指针认证。

在 IR 级别，它通过以下方式表示：

当前的实现利用了 Armv8.3-A PAuth/指针认证代码 指令，这些指令位于 AArch64 后端 中。此支持用于实现 Darwin arm64e ABI，以及 PAuth ABI Extension to ELF。

LLVM IR 表示

内建函数

这些内建函数由 LLVM 提供，用于公开指针认证操作。

‘llvm.ptrauth.sign’

语法：
declare i64 @llvm.ptrauth.sign(i64 <value>, i32 <key>, i64 <discriminator>)
概述：

‘llvm.ptrauth.sign’ 内建函数对原始指针进行签名。

参数：

value 参数是要签名的原始指针值。key 参数是用于生成签名值的密钥的标识符。discriminator 参数是要用作鉴别符的附加多样性数据（整数、地址或两者的混合）。

语义：

‘llvm.ptrauth.sign’ 内建函数实现了 sign_ 操作。它返回一个已签名值。

如果 value 已经是已签名值，则行为未定义。

如果 value 不是 key 适用的指针值，则行为未定义。

‘llvm.ptrauth.auth’

语法：
declare i64 @llvm.ptrauth.auth(i64 <value>, i32 <key>, i64 <discriminator>)
概述：

‘llvm.ptrauth.auth’ 内建函数认证已签名的指针。

参数：

value 参数是要认证的已签名指针值。key 参数是用于生成签名值的密钥的标识符。discriminator 参数是要用作鉴别符的附加多样性数据。

语义：

‘llvm.ptrauth.auth’ 内建函数实现了 auth_ 操作。它返回一个原始指针值。如果 value 没有针对 key 和 discriminator 的正确签名，则内建函数会以目标特定的方式陷入陷阱。

‘llvm.ptrauth.strip’

语法：
declare i64 @llvm.ptrauth.strip(i64 <value>, i32 <key>)
概述：

‘llvm.ptrauth.strip’ 内建函数从可能已签名的指针中剥离嵌入的签名。

参数：

value 参数是要剥离的已签名指针值。key 参数是用于生成签名值的密钥的标识符。

语义：

‘llvm.ptrauth.strip’ 内建函数实现了 strip_ 操作。它返回一个原始指针值。它不检查签名是否有效。

key 应该标识一个适用于 value 的密钥，如目标特定的 密钥 中所定义的那样。

如果 value 是原始指针值，则按原样返回（前提是 key 适用于该指针）。

如果 value 不是 key 适用的指针值，则行为是目标特定的。

如果 value 是已签名指针值，但 key 未标识用于生成 value 的同一密钥，则行为是目标特定的。

‘llvm.ptrauth.resign’

语法：
declare i64 @llvm.ptrauth.resign(i64 <value>,
                                 i32 <old key>, i64 <old discriminator>,
                                 i32 <new key>, i64 <new discriminator>)
概述：

‘llvm.ptrauth.resign’ 内建函数使用不同的密钥和多样性数据重新签名已签名的指针。

参数：

value 参数是要认证的已签名指针值。old key 参数是用于生成签名值的密钥的标识符。old discriminator 参数是在认证操作中用作鉴别符的附加多样性数据。new key 参数是用于生成重新签名值的密钥的标识符。new discriminator 参数是在签名操作中用作鉴别符的附加多样性数据。

语义：

‘llvm.ptrauth.resign’ 内建函数执行组合的 auth_ 和 sign_ 操作，而不会暴露中间的原始指针。它返回一个已签名指针值。如果 value 没有针对 old key 和 old discriminator 的正确签名，则内建函数会以目标特定的方式陷入陷阱。

‘llvm.ptrauth.sign_generic’

语法：
declare i64 @llvm.ptrauth.sign_generic(i64 <value>, i64 <discriminator>)
概述：

‘llvm.ptrauth.sign_generic’ 内建函数计算任意数据的通用签名。

参数：

value 参数是要签名的任意数据值。discriminator 参数是要用作鉴别符的附加多样性数据。

语义：

‘llvm.ptrauth.sign_generic’ 内建函数计算给定值和附加多样性数据的组合的签名。

它返回完整的签名值（而不是带有嵌入式部分签名的已签名指针值）。

与 llvm.ptrauth.sign 不同，它不将 value 解释为指针值。相反，它是一个任意数据值。

‘llvm.ptrauth.blend’

语法：
declare i64 @llvm.ptrauth.blend(i64 <address discriminator>, i64 <integer discriminator>)
概述：

‘llvm.ptrauth.blend’ 内建函数将指针地址鉴别符与小整数鉴别符混合，以生成新的“混合”鉴别符。

参数：

address discriminator 参数是指针值。integer discriminator 参数是一个小整数，由目标指定。

语义：

‘llvm.ptrauth.blend’ 内建函数将小整数鉴别符与指针地址鉴别符组合，组合方式由目标实现指定。

常量

内建函数 可以用于在代码中动态生成已签名指针，但不能用于常量引用的已签名指针，例如，全局初始化器中的指针。

后者使用 ptrauth 常量 表示，该常量描述生成已签名指针的已认证重定位。

ptrauth (ptr CST, i32 KEY, i64 DISC, ptr ADDRDISC)

等效于

  %disc = call i64 @llvm.ptrauth.blend(i64 ptrtoint(ptr ADDRDISC to i64), i64 DISC)
  %signedval = call i64 @llvm.ptrauth.sign(ptr CST, i32 KEY, i64 %disc)

操作数束

用作间接调用目标的函数指针可以在物化时签名，并在调用前进行认证。这可以使用 llvm.ptrauth.auth 内建函数完成，将其结果馈送到间接调用中。

但是，这会暴露中间的、未经认证的指针，例如，如果它被溢出到堆栈中。攻击者随后可以覆盖内存中的指针，从而抵消指针认证提供的安全优势。为了防止这种情况，可以使用 ptrauth 操作数束：它保证中间调用目标保留在寄存器中，并且永远不会存储到内存中。这种强化优势类似于 llvm.ptrauth.resign 提供的优势。

具体来说

define void @f(void ()* %fp) {
  call void %fp() [ "ptrauth"(i32 <key>, i64 <data>) ]
  ret void
}

在功能上等效于

define void @f(void ()* %fp) {
  %fp_i = ptrtoint void ()* %fp to i64
  %fp_auth = call i64 @llvm.ptrauth.auth(i64 %fp_i, i32 <key>, i64 <data>)
  %fp_auth_p = inttoptr i64 %fp_auth to void ()*
  call void %fp_auth_p()
  ret void
}

但增加了保证 %fp_i、%fp_auth 和 %fp_auth_p 不会存储到（以及从）内存。

函数属性

某些函数属性用于描述其他指针认证操作，这些操作在 IR 中没有以其他方式显式表达。

ptrauth-indirect-gotos

ptrauth-indirect-gotos 指定此函数中的间接 goto 语句应认证其目标。在 IR 级别，不需要其他更改。当降低 blockaddress 常量 和 indirectbr 指令 时，这告诉后端分别签名和认证指针。

具体方案在 ABI 中不可见。目前，AArch64 后端使用 ASIA 密钥对 blockaddress 进行签名，并使用从父函数的名称派生的整数鉴别符，使用 SipHash 稳定鉴别符

  ptrauth_string_discriminator("<function_name> blockaddress")

AArch64 支持

AArch64 是目前唯一完全支持基于 Armv8.3-A 指令的指针认证原语的架构。

Armv8.3-A PAuth 指针认证代码

Armv8.3-A 架构扩展定义了 PAuth 功能，该功能为操作指针认证代码 (PAC) 的指令提供支持。

密钥

PAuth 功能支持 5 个密钥。

其中，4 个密钥可互换使用，以指定 IR 构造中使用的密钥

  • ASIA/ASIB 是指令密钥（分别编码为 0 和 1）。

  • ASDA/ASDB 是数据密钥（分别编码为 2 和 3）。

ASGA 是一个特殊的密钥，不能显式指定，并且仅隐式使用，以实现 llvm.ptrauth.sign_generic 内建函数。

指令

上面描述的 IR 内建函数 映射到这些指令，如下所示

汇编表示

在汇编级别，经过身份验证的重定位使用 @AUTH 修饰符表示

    .quad _target@AUTH(<key>,<discriminator>[,addr])

其中

  • key 是 Armv8.3-A 密钥标识符（ia、ib、da、db）

  • discriminator 是 16 位无符号鉴别符值

  • addr 表示经过身份验证的指针是地址鉴别的（也就是说，重定位的目标地址将被混合到 discriminator 中，然后再用于签名操作中。）

例如

  _authenticated_reference_to_sym:
    .quad _sym@AUTH(db,0)
  _authenticated_reference_to_sym_addr_disc:
    .quad _sym@AUTH(ia,12,addr)

MachO 目标文件表示

在目标文件级别，经过身份验证的重定位使用 ARM64_RELOC_AUTHENTICATED_POINTER 重定位类型（值为 11）表示。

指针身份验证信息编码到附加值中，如下所示

| 63 | 62 | 61-51 | 50-49 |   48   | 47     -     32 | 31  -  0 |
| -- | -- | ----- | ----- | ------ | --------------- | -------- |
|  1 |  0 |   0   |  key  |  addr  |  discriminator  |  addend  |

ELF 目标文件表示

在目标文件级别，经过身份验证的重定位使用 R_AARCH64_AUTH_ABS64 重定位类型（值为 0xE100）表示。

签名方案编码在要应用的重定位位置，如下所示

| 63                | 62       | 61:60    | 59:48    |  47:32        | 31:0                |
| ----------------- | -------- | -------- | -------- | ------------- | ------------------- |
| address diversity | reserved | key      | reserved | discriminator | reserved for addend |