Android 防止数据执行（XN）缓解技术_安卓xn是什么意思

出发点

当缓冲区溢出发生后，成功利用还需解决两个问题：1）在内存中部署“邪恶代码”。2）定位部署好的“邪恶代码”入口点，劫持PC指向该地址。在早期由于操作系统还未引入ALSR机制，部署“邪恶代码”的问题很容易解决，比如，把“邪恶代码”直接部署到缓冲区中，溢出后劫持PC指向精确计算好的缓冲区基址开始执行：

究其根源，是计算机冯·诺依曼体系结构中没有对数据和代码进行区分，允许同一内存块中代码和数据共享存在，CPU也傻傻分不清楚只是按照PC寄存器指向的内存位置获取数据当作代码进行执行。

后来设计的另外一种计算机体系结构—哈弗体系结构，从物理上将存储代码和数据的内存分离开，可以很好的缓解缓冲区溢出攻击，但目前的计算机仍采用冯·诺依曼体系结构，只有极少数系统完全采用哈弗体系结构。这是因为冯·诺依曼体系结构有一个很好的特性，因为数据和代码在同一内存块中共存，使得计算机可以从磁盘上加载程序并执行，软件升级也变得更为容易，从通用计算机的便利性要求看，这个特性是极其重要的。

防止数据执行缓解技术就是在这样的背景下被设计出来的，现代设备通过硬件和软件结合的方法，标记数据所在的内存不可执行，在部分上使数据和代码分离，这样在保持便利性的同时缓解了缓冲区溢出攻击。

原理

早在2000和2002年，PaX团队的popacs在i386平台上发明了两种防止数据执行的技术，由于当时的i386平台还不支持在页表中将内存标记为不可执行(这是现在防止数据执行技术的基础)，所以这两种技术使用了一些平时很少用到的硬件特性。

2000年，PaX发布了名为PAGEEXEC的技术，它使用了CPU中的TLB（快表）缓存机制来阻止CPU对数据的执行。2002年，PaX又发布了名为SEGMEXEC的技术，它使用i386系列处理器中的段机制，将用户空间内存分成数据和代码两部分：

当CPU试图从内存的数据存储区域取指令时，会引起缺页错误使内核阻止数据执行并终止该进程。

现在设备都采用硬件和软件相结合的方法来防止数据执行，这要得益于CPU在硬件层面添加了对防止数据执行的支持特性。只不过不同的平台在术语上会有些差异，ARM在AMD64系列处理器中首先引入NX（Never Execute）的硬件特性。此后，Intel在奔腾4系列处理器中引入了XD（Execute Disable Bit）。ARM则从ARMv6架构开始支持XN（Execute Never）。

为了配合硬件特性，操作系统在软件层面对内存页表数据结构添加了一个特殊标识位NX/XD，来标识该内存页是否允许执行指令，CPU在取指令执行时会检查该标志位，当试图在标识不可执行的内存页中执行指令时，会产生一个CPU执行错误，然后提交给操作系统内核，内核向产生该错误的进程发送一个信号来终止其执行。

Android

和其他缓解技术一样，防止数据执行在Android也是分阶段完成的。

在Android 1.5发布时，Linux内核就已经有了这个缓解技术，不过Android系统中的二进制可执行文件在编译时并未开启对这个特性的支持。

2010年5月5日，编号为2915cc3的commit加入这个特性。

后来发布的Android 2.2（冻酸奶）并未使用这个保护机制。

直到下一个版本Android 2.3（姜饼）发布时，才最终将这个缓解技术用在终端设备上，不过Android 2.3只是部分实现了这个缓解技术，其中栈是不可执行，但堆仍是可执行的。

自2010年6月发布的Android NDK 4b版启用来这个缓解机制后，所有的AOSP和NDK都默认启用这一编译选项，下面是NDK 9b编译后各个内存区域的情况：

bypass

虽然XN机制可以有效地缓解了缓冲区溢出漏洞的利用，但其真正的威力还是需要和ASLR技术结合才能发挥出来，单一使用很容易被bypass，下面是对抗该技术的一些技巧：

• 最简单的方法是在内存中找到一块可定位地址的内存块，并且该内存块包含可执行数据。目前Android已经找不到满足条件的内存区域，该技巧不适合Android。

• 利用Ret2Lib（Return-to-library technique）技术。核心思想是直接利用进程中各种动态链接库中的函数（比如Glibc中的system函数）完成攻击，这些连接库包含了第三方库以及操作系统提供的C运行库，它们天生就是可执行的。

• 利用ROP（Retrun-Oriented-Programming）技术。核心思想是利用内存中现有函数代码中的指令片段（ gadget）串联起来构成完整的攻击载荷链。