当触发一个异常时,程序会沿着调用链不断向上进行栈展开,直到寻找到能处理这个异常的catch块。栈展开的过程也是一个程序运行状态恢复的过程,考虑如下调用链:f1 -> f2 -> f3,在f3发生了一个异常,在f1中的catch块能处理这个异常。为了能正常执行f1中的catch块,有必要恢复一些基本的程序状态,比如RBP与RSP寄存器,否则f1中的catch块就不能正常访问局部变量,即无法正常执行。
在类Unix系统中,由g++/clang++编译出的程序,是使用DWARF调试信息完成这个恢复过程的。早期的DWARF标准[1]只支持一些简单的原语以恢复运行状态,在DWARF 3标准中引入了一个DWARF Expression,可以将它理解为一个基于栈的虚拟机,由标准C++库解释执行它,它包含一系列的字节码,提供了读取程序运行内存的Handle,但不支持写入程序运行内存。在运行完一个DWARF Expression后,将处于栈顶的值作为这个DWARF Expression的值,可以将这个值赋值给寄存器。这个虚拟机提供了完备的算术,寻址,栈操作,乃至于流程转移指令,因此,它是图灵完备的。这些指向一个事实:我们可以将恶意代码/混淆代码转换成DWARF Expression,嵌入到程序中,在栈展开的过程中由标准C++库解释执行它们。
本文实现了一个DEMO,它可以自动化地将一个不包含内存访问指令与CALL指令的基本块转换为DWARF Expression,嵌入到程序中。
理论上确实可以指定输出的汇编文件格式为Intel格式(AT&T属实是有点反人类了),但是我在clang++ 9上进行操作时,发现clang++ 9无法正常编译intel格式的.s文件。高版本的clang++我并没有测试过。
CFA的全称是Canonical Frame Address,它的值是在执行(不是执行完)当前函数(callee)的caller的call指令时的RSP值。用一段代码说明如下:
当然这个例子有点问题,在x64 ABI中,栈参数的传递不再是使用push指令,而是使用mov [rsp + XX],arg的形式,RSP的值在函数运行过程中是不会改变的。
下图是一个包含了异常处理的函数的汇编表示。其中.cfi_startproc与.cfi_endproc指令会成对出现在函数的开头与末尾。.cfi_def_cfa_offset 16表示调整当前的CFA计算方式为CFA = RSP + 16,RSP是默认的参与计算的寄存器,也可以通过.cfi_def_cfa REG,OFFSET调整CFA计算方式为CFA = REG + OFFSET。以.cfi开头的指令都是伪指令,它们不会被编译成机器码出现在代码段中,而是被储存在.eh_frame块中。
.cfi_startproc指令实际上蕴含了一条默认的指令:.cfi_def_cfa_offset 8,也就是说,对于任意函数而言,它的初始CFA计算方式一定是CFA = RSP + 8,在RSP的值发生变化后,就会使用.cfi指令修改CFA的计算方式,比如在本例中,在执行完pushq %rax后,RSP的值发生了变化,于是使用.cfi_def_cfa_offset 16指令修改当前CFA的计算方式为CFA = RSP + 16。
关于.cfi系列指令,可以参考这份文档[2]。
为了能正常执行catch块的代码,我们不仅仅需要恢复出CFA的值,还需要恢复出其它寄存器,比如最基本的RBP寄存器,没有它,我们可能无法访问局部变量与参数。如下图所示,.cfi_offset %rbp,-16定义了RBP = QWORD PTR [CFA - 16],也就是说,caller的RBP寄存器的值被保存在[CFA - 16]这个地址中。还可以从其它寄存器值恢复某个寄存器的值,比如.cfi_register r1, r2,表示caller的r1寄存器的值储存在r2中。
.cfi系列指令的表达能力是很有限的,它只能使用REG + OFFSET的形式恢复CFA,只能使用[CFA + OFFSET]与REG1 = REG2的形式恢复其它寄存器。为了解决这个问题,DWARF 3标准引入了DWARF Expression。它是一个支持一系列操作的基于栈的虚拟机,关于它所支持的操作可以参考DWARF标准[1]的2.5.1节(General Operations)
DWARF Expression支持的操作可以分为编码(入栈立即数),寄存器寻址(入栈 REG + OFFSET),栈操作(SWAP,POP等操作),算术运算,流程转移。我简单介绍一些常用的操作。
对于一条push imm32指令而言,立即数imm32的编码可以使用两种方式:1. 标准补码编码;2. U/SLEB128编码[3]。LEB128编码包含ULEB128与SLEB128,分别编码无符号数与有符号数,它的编码与解码过程在WIKI百科上的描述很详细,我就不在此赘述了。
虚拟机中单位元素的长度与当前机器上地址的长度相等,比如在AMD64架构下,地址的长度是int64,那么虚拟机中单位元素就是int64。
DW_OP_bregn OP1(SLEB128)
n的取值可以是0-31,代表着寄存器的编号。AMD64环境中寄存器编号如下图所示。这条指令向栈中压入 REG + OP1,REG是由n指定的。注意压入的仅仅是地址,而不存在解引用的过程,解引用操作需要使用DW_OP_deref指令。
DW_OP_bregx OP1(LEB128), OP2(SLEB128)
这条指令与上一条基本相同,不同的是REG使用操作数OP1指定了,OP1是寄存器编号。这条指令向栈中压入 REG + OP2,REG由OP1指定。
在我们编写完一个DWARF Expression后,还需要通过DW_CFA_val_expression指令将这个DWARF Expression计算的值赋值给特定寄存器。
注意DWARF Expression的局限性,它不能写入内存,并且不能“写入”保护寄存器以外的寄存器。我实现了一个初步的Demo,它可以将一个不包含内存访问指令与CALL指令的基本块从汇编代码转换为DWARF Expression。
由于保护寄存器以外的寄存器都是易失的,我的想法是被混淆的代码片段的输入(引用先于赋值)寄存器和输出寄存器都应该是保护寄存器的子集。为了让编译器生成这样的代码,我使用LLVM PASS实现了一种插桩方式,如下所示。
由于代码片段的前面有对handle1函数的调用,因此编译器会将代码片段要引用的寄存器都转存在保护寄存器中;由于代码片段的后面有对handl2函数的调用,因此编译器也会将代码片段的输出全部放在保护寄存器中。这就生成了符合我们要求的代码。
而后,我的转换方案包含3步:
二叉树的节点如下所示:
算法主要步骤如下:
初始化
初始化寄存器环境regs字典,将所有寄存器的初始值都设置为ASTNode(reg, VAL_REG, None, None)
解析每一条指令
如addq %reg1, %reg2指令可以解析为:regs[1] = ASTNode("+", VAL_OP, regs[op[0]], regs[op[1]]);addq $const, %reg1指令可以解析为:regs[1] = ASTNode("+", VAL_OP, regs[op[1]], ASTNode(int(op[0]), VAL_CONST, None, None))
需要注意的是对于addl, imul等指令的语义的设置。对于addl %eax, %ebx而言,ebx = (rax + rbx) & 0xFFFFFFFF,对于imull %eax,%ebx,%ecx而言,ecx = (rax * rbx) & 0xFFFFFFFF。可以只在获取最终结果时进行截断操作,而无需在计算前截断参与运算的寄存器。
只是一个简单的后序遍历。
DW_等函数都是编码字节码的,如下图所示。
还要再套一次DW_CFA_val_expression才形成能嵌入程序的DWARF Expression。
注意,由于clang++与g++的汇编器都没有实现对DWARF Expression的完善支持,所以我们只能使用.cfi_escape指令以直接嵌入字节码的形式插入DWARF Expression。而且.cfi_escape指令一次只能嵌入一个字节,也就是说只能这样嵌入。
而如果我们在DWARF Expression中使用了全局变量的话,很难通过.cfi_escape指令将全局变量的地址编码进DWARF Expression。我搞了一整个下午的教训如下图所示。还是先直接跳过包含内存访问的代码片段吧。
在模拟执行完代码片段后,我们统计那些值被修改的保护寄存器,它们储存的就是代码片段的输出,输出它们的DWARF Expression。
最后,整个输出如下图所示。其中RESULT是模拟计算二叉表达式树的结果,用它来调试指令语义建模错误比较方便。
在上一节中,我们对代码进行了插桩处理。插桩的函数是handle1与handle2,它们的代码如下。我使用noline标记了这些函数防止内联,在catch块中插入了一个对全局变量x赋值的代码,这是防止编译器把catch块优化掉。handle2函数与handle1函数一样,它的包装链条是 handle2 -> wrapper2 -> throw2。
我们要在程序中嵌入DWARF Expression有以下步骤,这些步骤都需要在.s文件中操作,操作完成后再编译为可执行文件
原程序如下图所示。
我对它做了一个代码混淆,简单来说就是if (f(m) == f(934)),f是一个单射函数。然后将桩函数_Z7handle1v与_Z7handle2v之间的24条汇编指令转换成DWARF Expression嵌入程序。
在Wrapper1中插入DWARF Expression
再删除代码片段与对handle2桩函数的调用
使用clang++编译修改后的.s文件,并且验证混淆前后语义是否相等
IDA反编译结果显示代码已经被成功隐藏了
main.cpp, xjtu_ruicheng_obfs.cpp是源文件,main.s与xjtu_ruicheng_obfs.s是我插入DWARF Expression后的汇编文件
原文件.elf是我使用我的LLVM混淆Pass编译出来的,这个Pass过几天我就会放出来
转换脚本.py 是将汇编基本块转换为DWARF Expression的脚本
[1]DWARF 4 Standard: https://dwarfstd.org/doc/DWARF4.pdf
[2]CFI Directives: https://sourceware.org/binutils/docs/as/CFI-directives.html
[3]LEB128: https://en.wikipedia.org/wiki/LEB128
caller:
push arg1
-
-
> RSP
=
0xFFF8
push arg2
-
-
> RSP
=
0xFFF0
(执行call指令时的RSP值在这
call callee
-
-
> RSP
=
0xFFE8
callee:
push rbp
-
-
> CFA
=
0xFFF0
caller:
push arg1
-
-
> RSP
=
0xFFF8
push arg2
-
-
> RSP
=
0xFFF0
(执行call指令时的RSP值在这
call callee
-
-
> RSP
=
0xFFE8
callee:
push rbp
-
-
> CFA
=
0xFFF0
handle1()
需要混淆的代码片段
handle2()
handle1()
需要混淆的代码片段
handle2()
class
ASTNode:
def
__init__(
self
, value, valtype, left, right):
self
.Value
=
value
self
.
Type
=
valtype
self
.Left
=
left
self
.Right
=
right
class
ASTNode:
def
__init__(
self
, value, valtype, left, right):
self
.Value
=
value
self
.
Type
=
valtype
self
.Left
=
left
self
.Right
=
right
def
Block2AST(block):
if
not
isHandleable(block):
return
None
regs
=
{}
for
reg
in
REGISTER_NUMBER.keys():
regs[reg]
=
ASTNode(REGISTER_NUMBER[reg], VAL_REG,
None
,
None
)
for
line
in
block:
mm
=
line.split(
"\t"
)[
0
]
op
=
line.split(
"\t"
)[
1
]
if
op.find(
"#"
) !
=
-
1
:
op
=
op[:op.find(
"#"
)]
op
=
op.split(
","
)
for
i
in
range
(
len
(op)):
op[i]
=
op[i].strip()
op[i]
=
op[i].replace(
"%"
, "")
op[i]
=
op[i].replace(
"$"
, "")
if
mm
=
=
'imulq'
:
if
len
(op)
=
=
3
:
if
isREG(op[
0
]):
regs[op[
2
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, regs[op[
0
]], regs[op[
1
]])
else
:
regs[op[
2
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
), regs[op[
1
]])
elif
len
(op)
=
=
2
:
if
isREG(op[
0
]):
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, regs[op[
0
]], regs[op[
1
]])
else
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
), regs[op[
1
]])
elif
len
(op)
=
=
1
:
print
(
"ERROR: IMUL WITH ONLY 1 OP"
)
exit(
0
)
elif
mm
=
=
'movabsq'
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
)
elif
mm
=
=
'addq'
:
if
isREG(op[
0
]):
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"+"
, VAL_OP, regs[op[
0
]], regs[op[
1
]])
else
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"+"
, VAL_OP, ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
), regs[op[
1
]])
elif
mm
=
=
'movq'
:
regs[op[
1
]]
=
regs[op[
0
]]
elif
mm
=
=
'shrq'
:
if
isREG(op[
0
]):
print
(
"ERROR: SHRQ WITH REG OP2"
)
exit(
0
)
else
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
">>"
, VAL_OP, regs[op[
1
]], ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
))
else
:
print
(
"ERROR: "
+
mm
+
" UNSUPPORTED"
)
return
regs
def
Block2AST(block):
if
not
isHandleable(block):
return
None
regs
=
{}
for
reg
in
REGISTER_NUMBER.keys():
regs[reg]
=
ASTNode(REGISTER_NUMBER[reg], VAL_REG,
None
,
None
)
for
line
in
block:
mm
=
line.split(
"\t"
)[
0
]
op
=
line.split(
"\t"
)[
1
]
if
op.find(
"#"
) !
=
-
1
:
op
=
op[:op.find(
"#"
)]
op
=
op.split(
","
)
for
i
in
range
(
len
(op)):
op[i]
=
op[i].strip()
op[i]
=
op[i].replace(
"%"
, "")
op[i]
=
op[i].replace(
"$"
, "")
if
mm
=
=
'imulq'
:
if
len
(op)
=
=
3
:
if
isREG(op[
0
]):
regs[op[
2
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, regs[op[
0
]], regs[op[
1
]])
else
:
regs[op[
2
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
), regs[op[
1
]])
elif
len
(op)
=
=
2
:
if
isREG(op[
0
]):
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, regs[op[
0
]], regs[op[
1
]])
else
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"*"
, VAL_OP, ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
), regs[op[
1
]])
elif
len
(op)
=
=
1
:
print
(
"ERROR: IMUL WITH ONLY 1 OP"
)
exit(
0
)
elif
mm
=
=
'movabsq'
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
)
elif
mm
=
=
'addq'
:
if
isREG(op[
0
]):
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"+"
, VAL_OP, regs[op[
0
]], regs[op[
1
]])
else
:
regs[op[
1
]]
=
ASTNode(
"+"
, VAL_OP, ASTNode(
int
(op[
0
]), VAL_CONST,
None
,
None
), regs[op[
1
]])
elif
mm
=
=
'movq'
:
regs[op[
1
]]
=
regs[op[
0
]]
elif
mm
=
=
'shrq'
:
if
isREG(op[
0
]):
print
(
"ERROR: SHRQ WITH REG OP2"
)
exit(
0
)
[招生]科锐逆向工程师培训(2024年11月15日实地,远程教学同时开班, 第51期)