引言

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。

背景知识

clang++编译命令

• 将.cpp文件编译为.s文件（汇编文件）：clang++ -S -c x1.cpp x2.cpp ...
• 将.s文件编译为可执行文件：clang++ x1.s x2.s ... -o a.elf
• 将.bc文件编译为.s文件：llc x1.bc

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。

栈展开过程

CFA

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]。

恢复其它寄存器

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。

DWARF Expression

.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。

编码（入栈立即数）

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_const1(2, 4, 8)u OP1(u_int8, u_int16, u_int32, u_int64)
  这4条指令都包含操作数OP1，OP1使用补码编码，语义都是将OP1压入栈中。如果OP1的长度小于单位元素长度，使用0补齐高位。

• DW_OP_const1(2, 4, 8)s OP1(int8, int16, int32, int64)
  与上一条指令基本相同，区别是这条指令压入的是有符号数，而上一条指令压入的是无符号数。

• DW_OP_constu OP1(ULEB128)
  这条指令包含操作数OP1，OP1使用ULEB128编码，它向栈中压入OP1。

• DW_OP_consts OP1(SLEB128)
  与上一条指令基本相同，区别是OP1使用SLEB128编码，压入的是有符号数。

寄存器寻址

• 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。

栈操作

• DW_OP_drop
  从栈中弹出栈顶元素

• DW_OP_pick OP1(u_int8)
  复制一份栈中第OP1个元素压入栈顶。栈中元素的编号从0开始，0是栈顶。

• DW_OP_swap
  交换栈顶两个元素

• DW_OP_deref
  弹出栈顶元素作为地址，解引用这个地址，值压入栈顶。

• DW_OP_deref_size OP1(u_int8)
  与上一条指令基本相同，不同的是上一条指令无法控制读取的长度，只能是栈的单位元素的长度，这条指令可以控制读取长度。操作数OP1指示读取长度，是字节数。如果小于栈单位元素长度，用0补齐高位；如果大于栈单位元素长度则会报错。

算数运算指令

• DW_OP_plus
  弹出栈顶两个元素，相加，值压入栈顶。

• DW_OP_neg
  弹出栈顶元素，取负，值压入栈顶。注意虚拟机中没有sub操作，因此使用DW_OP_neg, DW_OP_plus来表示减法操作，即弹出栈顶两个元素，用栈顶第二个元素减去第一个元素，值压入栈顶。

• DW_OP_mul
  乘法

• D W_OP_mod
  求模

• DW_OP_or, and, not, xor
  与，或，非，异或

• DW_OP_shr, shl；ashr
  逻辑右移，左移；算数右移

控制流转移指令

• DW_OP_le, ge, eq, lt, gt, ne
  弹出栈顶两个元素，栈顶第二个元素记为O2，栈顶元素记为O1
  比较两个操作数，O2 le, ge, eq, ... O1
  如果该表达式成立，把1压入栈顶，否则把0压入栈顶。
  比较是有符号形式的，le(less equal, <=), gt(great than, >)...
  可以将无符号数的比较转为有符号数的比较，如比较无符号数U1，U2大小，可以转换为 U1 - U2 与 0 的有符号大小比较。

• DW_OP_bra OP1(int16_t)
  操作数OP1使用补码编码，并且是2字节大小。弹出栈顶元素，如果它非0，则跳转到OP1处执行，OP1表示偏移地址，它是从OP1后面开始算的。比如 DW_OP_bra 10 的字节码是 0x28 0x0A 0x00 ，假设 0x28 是第0个字节，0x00是第2个字节，那么跳转的目标就是第12个字节

• DW_OP_skip OP1(int16_t)
  与上一条指令基本相同，区别是这条指令是无条件跳转。

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。

• DW_CFA_val_expression REG(ULEB128), LENGTH_OF_EXPRESSION(ULEB128), EXPRESSION_CODE...
  REG是寄存器编号，LENGTH_OF_EXPRESSION是编写的Expression的字节码的长度，后面跟着的就是Expression的字节码。

DWARF Expression 存在的局限性

• 不能在虚拟机内写入程序运行内存，而只能读取程序运行内存。也就是说，如果我们要写入内存，只能在退出虚拟机后写入。

• DWARF Expression并不能”恢复“所有寄存器。严格来说并不是不能”恢复“所有寄存器，而是恢复之后又会调用一些C++标准库函数导致恢复的值又被破坏掉了，最终我们在catch块中没办法得到恢复的值。RBX，R12-R15寄存器是AMD64 ABI定义的由被调用者保护的寄存器，因此它们的值一定可以在catch块中被接收到。我个人建议使用这5个寄存器作为退出虚拟机时的输出，退出后可以将它们的值写入内存或者其它寄存器值。

方法

将汇编代码转换为DWARF Expression

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：

1. 将汇编代码转换为二叉表达式树
2. 后序遍历二叉树，得到后缀表达式
3. 按顺序翻译后缀表达式就可以得到DWARF Expression

转换为二叉表达式树

二叉树的节点如下所示：

算法主要步骤如下：

1. 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)

2. 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。

获取后缀表达式

只是一个简单的后序遍历。

后缀表达式转为DWARF Expression

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。

输出.cfi_escape指令

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。

将DWARF Expression嵌入程序

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

1. 在wrapper1中插入生成的DWARF Expression。
2. 删除handle1与handle2之间的待混淆代码片段，再删除对handle2函数的调用

实验

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

附件说明

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

参考文献

[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

Windows开发不完全指南