endbr64 指令实际上是做什么的？

Question

我一直在尝试理解 GCC 生成的汇编语言代码，并且经常在许多函数的开头遇到此指令，包括 _start()，但找不到任何解释其用途的指南：

31-0000000000001040 <_start>:
32:    1040:    f3 0f 1e fa             endbr64 
33-    1044:    31 ed                   xor    ebp,ebp

Answer 1

它代表“End Branch 64 bit”——或者更准确地说，Terminate Indirect Branch in 64 bit。

这里是操作：

IF EndbranchEnabled(CPL) & EFER.LMA = 1 & CS.L = 1
  IF CPL = 3
  THEN
    IA32_U_CET.TRACKER = IDLE
    IA32_U_CET.SUPPRESS = 0
  ELSE
    IA32_S_CET.TRACKER = IDLE
    IA32_S_CET.SUPPRESS = 0
  FI
FI;

否则该指令被视为NOP。

CET 功能用于确保您的间接分支实际上转到有效位置。这允许额外的安全性。以下是英特尔关于它的段落：

ENDBRANCH（详见第 73 节）是一条新指令，用于标记程序中间接调用和跳转的有效跳转目标地址。该指令操作码被选择为旧机器上的 NOP，以便使用 ENDBRANCH 新指令编译的程序继续运行 在没有 CET 强制执行的旧机器上。在支持 CET 的处理器上，ENDBRANCH 仍然是 NOP，主要用作处理器流水线的标记指令以检测控制流违规。 CPU 实现了一个跟踪间接 jmp 和调用指令的状态机。当其中之一 看到指令，状态机从 IDLE 移动到 WAIT_FOR_ENDBRANCH 状态。在 WAIT_FOR_ENDBRANCH 状态下，程序流中的下一条指令必须是 ENDBRANCH。如果未看到 ENDBRANCH，则处理器会导致控制保护异常 (#CP)，否则状态机将返回 IDLE 状态。

Answer 2

endbr64（和endbr32）是Intel's Control-Flow Enforcement Technology (CET)的一部分（另见Intel Software Developer Manual, Volume 1, Chapter 18）。

英特尔 CET 提供针对 Return-oriented Programming (ROP) 和 Jump/Call-oriented Programming (JOP/COP) 攻击的硬件保护，这些攻击操纵控制流以将现有代码重新用于恶意目的。

它的两大特点是

• shadow stack 用于跟踪退货地址和
• 间接分支跟踪，endbr64 是其中的一部分。

虽然 CET 只是在当前的处理器中慢慢变得可用，但它是 already supported as of GCC 8，默认插入 endbrXX 指令。操作码被选择为旧处理器上的无操作，这样如果不支持 CET，则忽略该指令；在禁用间接分支跟踪的支持 CET 的处理器上也会发生同样的情况。

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那么endbr64 做了什么？

前提条件：

• 必须通过将控制寄存器标志 CR4.CET 设置为 1 来启用 CET。
• 在IA32_U_CET（用户模式）或IA32_S_CET（主管模式）MSR 中设置了用于间接分支跟踪的适当标志。

CPU 设置了一个小型状态机，用于跟踪最后一个分支的类型。举个例子：

some_function:
    mov rax, qword [vtable+8]
    call rax
    ...

check_login:
    endbr64
    ...
authenticated:
    mov byte [is_admin], 1
    ...
    ret

现在让我们简要地看一下两种情况。

无攻击：

1. some_function 从virtual method table vtable 中检索虚拟方法check_login 的地址并调用它。
2. 由于这是一个间接调用，因此 CET 状态机被激活并设置为在下一条指令上触发 (TRACKER = WAIT_FOR_ENDBRANCH)。
3. 下一条指令是endbr64，因此间接调用被认为是“安全的”并继续执行（endbr64 仍然表现为空操作）。状态机已重置 (TRACKER = IDLE)。

攻击：
攻击者以某种方式设法操纵vtable，使得vtable+8 现在指向authenticated。

1. some_function 从虚拟方法表vtable 中检索authenticated 的地址并调用它。
2. 由于这是间接调用，因此 CET 状态机被激活并设置为在下一条指令上触发 (TRACKER = WAIT_FOR_ENDBRANCH)。
3. 下一条指令是mov byte [is_admin], 1，而不是预期的endbr64 指令。 CET 状态机推断控制流被操纵并引发#CP 故障，终止程序。

如果没有 CET，控制流操作将被忽视，攻击者将获得管理员权限。

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总之，英特尔 CET 的间接分支跟踪功能确保间接调用和跳转只能重定向到以 endbr64 指令开头的函数。

请注意，这不确保调用 right 函数 - 如果攻击者更改控制流以跳转到另一个以 endbr64 开头的函数，状态机不会抱怨并继续执行程序。然而，这仍然大大减少了攻击面，因为大多数 JOP/COP 攻击针对的是中间功能指令（甚至直接“跳入”指令）。