最近跟朋友聊Arm安全时，发现存在一些误解，认为Arm安全只有TrustZone？不是的，安全是一个比较大话题，Arm TrustZone只是Arm架构的安全扩展。目前Armv7-A，Armv8-A，以及Armv8-M的CPU都实现这个安全扩展，也就是说所有Arm开发的Cortex-A，Cortex-Mxx的CPU都是支持TrustZone，但是除此之外Arm在其他安全技术投入也非常大，例如SecurCore系列CPU，主要是针对一些高安全要求的市场，例如金融，通信，身份认证等领域，比较有代表性的CPU是SC000，SC300，Cortex-M35P等，Cortex-M35最近也通过CC EAL6+认证；还有一些security IP，例如TRNG，Cryptocell，Cryptoisland等，具体在其他文章里有描述。
我们今天介绍是Armv8.x-A的新安全技术，主要是解决一些系统安全问题，但是这些安全特性是跟Arm AArch64有很大依赖关系。在介绍之前，我们先回忆下Arm AArch64. AArch64在七八年前是非常火的话题，那时候Armv8.0-A刚刚发布，Armv8.0-A相当于Armv7-A是一个特别大的升级，但是又兼容Armv7-A架构，也就是说Armv8-A'支持64位，也支持32位。
AArch32 和AArch64
Armv8-A有两个执行状态，分别是AArch32和AArch64。AArch32可以认为Armv7-A的演进，支持A32和T32指令集，同时也新增了一些新的指令，采用的还是Armv7-A的exception model，还是支持32位的虚拟地址。AArch64也就是我们说的64位，AArch64采用指令集是A64，指令的长度是固定的32bit，使用新的exception model，如EL0，EL1，EL2，EL3，同时通用寄存器的长度也是64位，虚拟地址也是64位。
64bit VA访问地址范围是非常大的，很多应用场景下可能用不到这么大的地址空间，所以有的CPU只支持48位或52位的虚拟地址空间，当然软件也可以根据具体的要求来配置具体的虚拟地址大小，例如CPU支持48虚拟地址，但是软件可以配置为只使用39bit的虚拟地址。例如以48 bit的虚拟地址为例，会多出来16 bit，在默认的情况下，这16个bit要么是全0，要么是全1，如果是全1的时候代表的kernel的地址空间，如果是全0的时候代表是用户态的地址空间，如果是其他值得话表示一个非法地址，会产生异常。那64bit的虚拟地址，有效部分只是48 bit或者52bit，多出来的这些bit位置，我们刚好可以利用起来，可以用来做安全检查。
攻击的方法是非常多样化的，Google也会统计Android每年的安全漏洞和种类，我们也可以对这些漏洞进行整理和和分类，大体上可以分为控制流程完整性和数据安全性，Arm也在对这些漏洞做分析和研究，从CPU架构上来缓解这些安全问题。
PXN和UXN
例如在比较早期的攻击方式，利用栈溢出，恶意程序将恶意代码写入到栈区，然后进行跳转来执行代码，这种攻击方式Arm架构增加了执行权限检查，在页表内有执行权限的bit位，例如把数据区域对应的页表的执行标志位置1，就标志不能执行，当然也进行了细化，例如不同的特权级可以配置不同的执行权限，PXN和UXN。
PAC
PAC的全称是Pointer Authentication，是Armv8.3增加的安全特性。通过上面提到的PXN和UXN可以解决执行权限的安全问题。但是我们系统里有非常多的函数和代码，攻击者会分析这些代码，例如有些函数的其中一部分对他们来说是有用的，直接跳转到函数的中间去执行，然后执行到返回。他们可以通过这些代码片段来组合成成恶意程序，这种代码本身就是可执行的，PXN和UXN就无法阻止这种攻击。在Arm v8.3中增加了PAC就是来解决这种攻击方式，也就是ROP（Return-oriented programming）攻击，基本原理就是在进入函数时对返回地址的地址进行签名，执行完函数再对返回地址进行校验，如果校验通过说明跳转到的是合法地址，如果校验失败，则认为有安全分险。那对返回地址的签名放在什么位置呢？
这部分就利用到前面提到的64bit虚拟地址，因为支持的虚拟地址是48bit或者52bit，一些高bit位是没有用到的，例如我们可以利用高bit位来存签名，通过这种方式可以缓解ROP的攻击方式。
BTI
BTI的全称是Branch Target Instructions，是Armv8.5-A增加的安全特性，主要是来解决JOP（Jump-oriented Programming）这种攻击方式，如果细心的同学可以看到，通过PAC保证的是返回地址必须是合法的返回地址，但是我们的指令集中还有跳转指令如B，BL。那攻击者在分析我们代码时，可以挑选函数中间的代码片段，没有执行到RET指令就已经跳出了函数，通过这种方式也可以组合出恶意程序，这种方式PAC就无法进行防护。所以在Armv8.5-A中增加了BTI来解决JOP的攻击方式，主要原理时是进行B或BL跳转时，只能调转到特定的代码，例如跳转后的地址必须有BTI，如果不是指定的代码，那么就会产生异常，认为有安全风险，那哪些代码需要进行检查呢，这个可以利用MMU的页表，在页表中增加了一个GP的bit，当这个bit置1时，才会进行检查，如果该bit是0的话，就不进行检查，通过BTI可以缓解JOP的攻击方式
MTE
MTE的全称是Memory Tagging，也是Armv8.5-A增加的安全特性，主要是缓解数据完整性的漏洞。大部分的漏洞是我们编程中的写的bug，例如Use after free，Buffer overflow，MTE主要是检查这些问题。MTE就是在分配内存的时候，按照每16Byte来分配一个Tag，这个Tag的长度是4bits，可以认为是一个lock和一把key，这个key存储的位置也是存储在指针的高bit位，也是利用到上面所说的64bit的虚拟地址未用到的高bit位， lock是存储内存的特殊位置。当分配memory的时候会打Tag，访问memory的时候会先进行比对，如果比对成功则能访问memory，如果tag不一致，说明可能存在风险。通过这种方式可以检测memory safty的问题，例如我们在开发阶段可以使能这些feature来做检查，量产时也可以disable掉，如果是比较核心的代码也可以一直使能检查，如果出现Tag不一致时，可以立即产生异常，或者是进行标记，不产生异常，系统寄存器来记录，可以后面再进行分析。通过纯软件的方式也可以实现类似的功能，只是开销非常大。
从上面PAC，BTI，以及MTE这些新安全特性看出，安全是互补的，并不是说通过一个安全特性可以解决所有问题，例如：
- PXN/UXN可以缓解执行权限的安全问题
- TrustZone主要是保证系统被攻击后，也无法窃取敏感信息，以及敏感信息存储、输入、输出，以及basic hardware attack
- PAC主要是缓解ROP攻击
- BTI主要是缓解JOP攻击
- MTE主要是检查不正确使用memory的行为
- Armv8.5增加的Speculation Barrier指令、execution and data prediction restriction指令来缓解侧信道攻击
- Security IP来增加安全启动、安全升级、密钥管理等
- Cryptoisland来满足高安全应用的需求，例如strongbox、iSIM等应用场景
- .......
通过软件或硬件都可以提高安全性，如果有硬件上支持的话，可以大大简化软件的设计难度，同时对性能影响也最小，这PAC，BTI，MTE 以及S-EL2的安全特性都是在AArch64执行状态下才支持的，从长远来看64位 only的CPU更加符合应用的发展趋势。
以上仅是个人观点，如果有任何问题，欢迎随时讨论，下面连接是一些更详细的解释
- Providing protection for complex software
- 学Arm TrustZone需要看哪些资料？
- Arm的TrustZone, CryptoCell, 以及Cryptoisland到底什么关系？
- Cortex-M和Cortex-A的TrustZone差异
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