binary-hardening

二进制文件加固

目的

指导 Agent 启用并验证二进制安全缓解措施：checksec 分析、编译器和链接器加固标志（RELRO、PIE、栈保护金丝雀、FORTIFY_SOURCE、CFI）、硬件影子栈，以及用于深度防御的 seccomp-bpf 系统调用过滤。

触发条件

• “如何加固二进制文件以防范漏洞利用？”
• “如何检查二进制文件启用了哪些安全缓解措施？”
• “checksec 的输出是什么意思？”
• “如何启用 RELRO、PIE 和栈保护金丝雀？”
• “如何使用 seccomp 限制系统调用？”
• “如何启用 CFI（控制流完整性）？”

工作流

1. 使用 checksec 分析现有二进制文件

# Install checksec
pip install checksec.py   # or: apt install checksec

# Check a binary
checksec --file=./mybinary
checksec --file=/usr/bin/ssh

# Output example
# RELRO          STACK CANARY   NX    PIE    RPATH  RUNPATH  Symbols  FORTIFY  Fortified  Fortifiable  FILE
# Full RELRO     Canary found   NX    PIE    No RPATH  No RUNPATH  No Symbols  Yes   6   10   ./mybinary

# Check all binaries in a directory
checksec --dir=/usr/bin

保护措施	良好值	风险
RELRO	Full RELRO	Partial / No RELRO
栈保护金丝雀	检测到金丝雀	无金丝雀
NX	已启用 NX	已禁用 NX
PIE	已启用 PIE	无 PIE
FORTIFY	是	否

2. 编译器和链接器加固标志

# Full hardened build (GCC or Clang)
CFLAGS="-O2 -pipe \
  -fstack-protector-strong \
  -fstack-clash-protection \
  -fcf-protection \
  -D_FORTIFY_SOURCE=3 \
  -D_GLIBCXX_ASSERTIONS \
  -fPIE \
  -Wformat -Wformat-security -Werror=format-security"

LDFLAGS="-pie \
  -Wl,-z,relro \
  -Wl,-z,now \
  -Wl,-z,noexecstack \
  -Wl,-z,separate-code"

gcc ${CFLAGS} -o prog main.c ${LDFLAGS}

标志参考：

标志	保护措施	说明
-fstack-protector-strong	栈保护金丝雀	比 -fstack-protector 更强
-fstack-clash-protection	栈冲突保护	防止分配巨大的栈空间
-fcf-protection	Intel CET（IBT+SHSTK）	x86 硬件 CFI（需要内核和 CPU 支持）
-D_FORTIFY_SOURCE=2	缓冲区溢出检查	为字符串和内存函数添加边界检查
-D_FORTIFY_SOURCE=3	增强的 FORTIFY	GCC ≥12、Clang ≥12
-fPIE + -pie	PIE/ASLR	位置无关可执行文件
-Wl,-z,relro	Partial RELRO	在 main 之前将 GOT 设为只读
-Wl,-z,now	Full RELRO	启动时解析所有 PLT → GOT 完全只读
-Wl,-z,noexecstack	NX 栈	将栈标记为不可执行

3. 控制流完整性（CFI）

Clang 的 CFI 可防止通过错误类型调用虚函数（vtable CFI），并防止对类型不匹配的函数进行间接调用：

# Clang CFI — requires LTO and visibility
clang -fsanitize=cfi -fvisibility=hidden -flto \
      -O2 -fPIE -pie main.cpp -o prog

# Specific CFI checks
clang -fsanitize=cfi-vcall          # virtual call type check
clang -fsanitize=cfi-icall          # indirect call type check
clang -fsanitize=cfi-derived-cast   # derived-to-base cast
clang -fsanitize=cfi-unrelated-cast # unrelated type cast

# Cross-DSO CFI (across shared libraries — more complex)
clang -fsanitize=cfi -fsanitize-cfi-cross-dso -flto -fPIC -shared

# Microsoft CFG (Windows equivalent)
cl /guard:cf prog.c
link /guard:cf prog.obj

4. 深入了解栈保护金丝雀

# GCC canary options
-fno-stack-protector       # disabled
-fstack-protector          # protect functions with alloca or buffers > 8 bytes
-fstack-protector-strong   # protect functions with local arrays/addresses taken
-fstack-protector-all      # protect all functions (slowest, most complete)

# Verify canary presence
objdump -d prog | grep -A5 "__stack_chk"
readelf -s prog | grep "stack_chk"

5. FORTIFY_SOURCE

当缓冲区大小可在编译时确定时，FORTIFY_SOURCE 会用经过边界检查的版本包装不安全的 libc 函数（memcpy、strcpy、sprintf）：

# Level 2 (GCC/Clang default for hardened builds)
-D_FORTIFY_SOURCE=2
# Runtime check: abort() on overflow

# Level 3 (GCC ≥12, catches more cases)
-D_FORTIFY_SOURCE=3
# Adds dynamic buffer size tracking for more coverage

# Check FORTIFY coverage
objdump -d prog | grep "__.*_chk"     # fortified variants
checksec --file=prog | grep FORTIFY

6. seccomp-bpf 系统调用过滤

#include <seccomp.h>

void apply_seccomp_filter(void) {
    scmp_filter_ctx ctx;

    // Default: kill process on any non-allowlisted syscall
    ctx = seccomp_init(SCMP_ACT_KILL_PROCESS);

    // Allowlist needed syscalls
    seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(read), 0);
    seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(write), 0);
    seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(exit_group), 0);
    seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(brk), 0);
    seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(mmap), 0);

    // Apply filter (irreversible after this point)
    seccomp_load(ctx);
    seccomp_release(ctx);
}

// Call early in main(), after all setup
int main(void) {
    // ... initialization ...
    apply_seccomp_filter();
    // ... restricted operation ...
}

# Test seccomp filter with strace
strace -e trace=all ./prog 2>&1 | grep "killed by SIGSYS"

# Profile syscalls to build allowlist
strace -c ./prog    # count all syscalls used

7. Intel CET（影子栈 + IBT）

# Full CET: SHSTK (shadow stack) + IBT (indirect branch tracking)
gcc -fcf-protection=full -O2 -o prog main.c

# Verify in binary
readelf -n prog | grep -E 'SHSTK|IBT'
readelf --notes prog | grep GNU_PROPERTY

# IBT landing pads in disassembly
objdump -d prog | grep endbr64

# CPU and kernel support
grep -m1 shstk /proc/cpuinfo

需要硬件支持 CET（Intel Tiger Lake 及更新型号支持 SHSTK/IBT；AMD Zen 3 及更新型号的部分 SKU 支持影子栈），且内核需在构建时启用 CET。

8. ARM BTI 和 PAC（AArch64）

# Branch Target Identification + Pointer Authentication
gcc -mbranch-protection=standard -O2 -o prog main.c
# Or: -mbranch-protection=bti+pauth

readelf -n prog | grep -E 'BTI|PAC'
llvm-objdump -d prog | grep bti

功能	保护对象
BTI	跳转到未标记目标的间接分支
PAC	已签名的返回地址和指针（ARMv8.3+）

9. ARM 内存标记（MTE）

# Userspace MTE tagging (experimental, arm64 hardware)
clang -fsanitize=memtag -g -o prog main.c

# Check MTE CPU support
grep -m1 mte /proc/cpuinfo

MTE 会为每个 16 字节粒度区域分配 4 位标记；硬件会在访问时检测标记是否不匹配。

10. glibc 影子栈（2.39+）

# Recent glibc may enable shadow stack for CET when hardware supports SHSTK
ldd --version   # feature availability varies by distro glibc build

# Explicit link with shadow stack support (toolchain dependent)
gcc -fcf-protection=full -Wl,-z,shstk -o prog main.c

# Verify GNU_PROPERTY_SHSTK in output
readelf -n prog | grep SHSTK

影子栈会维护一份由硬件保护的返回地址副本，并使其与数据栈分离。

完整的加固标志参考请参阅 references/hardening-flags.md。

相关技能

• 在开发期间使用 skills/runtimes/sanitizers 进行 ASan/UBSan 检查
• 使用 skills/observability/ebpf 通过 libbpf 编写 seccomp-bpf 程序
• 使用 skills/rust/rust-security 了解 Rust 的内存安全加固方法
• 使用 skills/binaries/elf-inspection 验证 ELF 二进制文件中的缓解措施