【软件安全】ARM64、x86、32 位与 64 位架构的区别、定义、应用背景

ARM64、x86、32 位与 64 位架构的区别、定义、应用背景，软件安全实验（栈溢出、ASLR、缓冲区攻击等）

一、架构定义与关系

1. x86

• 定义：最初由 Intel 8086/80386 演变而来的一系列指令集架构（ISA）。

• 特点：

  • 最初是 16 位，后来发展为 32 位（IA-32），再发展为 64 位（x86-64 / AMD64）。
  • 使用寄存器命名如 eax, ebx, esp, ebp, eip（32 位），在 64 位扩展为 rax, rsp, rbp, rip。

• 应用：PC、服务器的主流架构，尤其在 安全课程里常用来教学栈溢出和内存漏洞，因为教材和工具链成熟。

2. ARM / ARM64 (aarch64)

• 定义：ARM 是 RISC（精简指令集计算机），ARM64 指的是其 64 位架构（正式名 AArch64）。

• 特点：

  • 移动设备、嵌入式、苹果 M1/M2 芯片都在用。
  • 寄存器统一为 64 位：x0 ~ x30，sp（栈指针），x29（帧指针），x30（返回地址）。
  • 指令更简洁，能效比高。

• 应用：智能手机（Android/iOS）、树莓派、苹果 Macbook (M1/M2/M3)，以及部分云计算服务器。

3. 32 位 vs 64 位

• 32 位：寄存器宽度为 32 位，寻址空间最大约 4GB。

• 64 位：寄存器宽度 64 位，理论寻址空间可达 16EB。

• 区别：

  • 指针大小不同（32 位 4 字节，64 位 8 字节），影响栈布局、内存对齐。
  • 函数调用约定不同：x86 常用栈传参，ARM64 和 x86-64 常用寄存器传参。
  • 安全机制不同：64 位系统更容易启用 NX/DEP、ASLR、栈保护等现代防护。

二、在软件安全中的应用

1. 为什么教材多用 x86/32 位？

• 32 位下的栈布局更简单，ebp/eip 连续保存在栈中，容易被溢出覆盖。
• 攻击演示（如覆盖返回地址 → 跳转到 shellcode）更直观。
• 很多经典漏洞利用手法（ret2libc、ROP）最早就是基于 IA-32 研究的。

2. ARM64 下的不同点

• 没有 eip/esp/ebp，取而代之的是 pc/sp/x29/x30。
• 返回地址存在寄存器 x30 (LR)，而不是直接压栈，这意味着溢出模式和保护机制不同。
• ASLR/DEP 更常开，在 ARM64 上教材里的简单攻击往往会触发 “Bus error” 而不是 “Segmentation fault”。

3. 64 位安全机制增强

• 更强的 ASLR：地址空间更大，随机化效果更好。
• 更复杂的 ABI：函数调用用寄存器传参，减少了栈上的可控数据，降低了栈溢出的成功率。
• 现代编译器默认防护：例如 -fstack-protector、-pie 默认开启，需要显式关掉才能复现实验。

三、背景与应用场景

1. 教学/研究

   • 大学课程和教材（比如你在 IFN657 课程做的实验）常要求用 32 位 x86，因为漏洞利用的原理更容易演示。
   • 但现在很多学生用 ARM Mac，只能借助虚拟机/交叉编译来还原 x86 环境。

2. 现实中的软件安全

   • 现代系统（Windows 10/11、Linux 64 位、iOS、Android）基本都是 64 位。
   • 漏洞利用在 64 位下更复杂（需要绕过 ASLR/DEP/Stack Canary）。
   • ARM64 由于在手机普及，成为移动安全研究的重要对象（恶意 app、越狱、内核漏洞）。

3. 攻防对抗

   • 攻击者会研究不同架构的调用约定、内存布局，以设计特定的 exploit。
   • 防御者利用 64 位环境的安全特性提高攻击难度。

四、总结对比表