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[原创] UPX源码学习和简单修改
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发表于: 2023-1-7 11:52
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之前一直学习如何脱壳，接触到的第一种壳就是UPX。经过一段脱壳训练后，逐渐对UPX的压缩流程有了兴趣。本文是笔者对UPX源码的学习记录，包括代码学习过程和源码简单修改，希望对大家有所帮助。
分析环境：
UPX版本: 3.96 (https://github.com/upx/upx/releases/download/v3.96/upx-3.96-src.tar.xz)
linux系统: centOS 7 - Linux localhost.localdomain 3.10.0-862.el7.x86_64 #1 SMP Fri Apr 20 16:44:24 UTC 2018 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
kali: Linux kali 5.9.0-kali1-amd64 #1 SMP Debian 5.9.1-1kali2 (2020-10-29) x86_64 GNU/Linux
010 Editor版本: v10.0 (64 bit)
为了方便调试，笔者只分析了x86-64位ELF文件的加壳流程代码，本文所用程序见结尾文件 demo。代码跟踪过程主要参考文章UPX源码分析——加壳篇，大家有兴趣可详细阅读。这里只介绍大体流程。
UPX的核心加壳代码是 upx-3.96/src/p_unix.cpp 文件的 pack 函数。
该函数调用了4个关键函数，分别为pack1、pack2、pack3和pack4，代表了加壳的四个步骤。
pack1 函数功能是，写入新文件的elf头，写入程序头表，写入1个初始化的l_info结构。
pack2 函数功能是，对所有类型为PT_LOAD的段进行压缩存储。
其中，在对第一个类型为PT_LOAD的段(该块一般包含原文件的文件头和程序头表)进行压缩时，会将该段分为两个部分分别压缩写入。这两部分为：一、原文件的elf头和程序头表；二、该段数据的其他部分。
例如，demo文件中第一个PT_LOAD段如下
第一段文件偏移为0，大小为0x5F0。从图中可以看到文件头+程序头表的大小为0x270，这就是需要压缩的第一块数据。第二块数据就是文件偏移为0x270，大小为0x380。
pack3 函数的功能是，写入loader，压缩原文件中除PT_LOAD段之外的其余数据并写入，修正程序头表内容
pack4 函数的功能是，写入PackHeader和overlay_offset。这里overlay_offset值为p_info字段的文件偏移。本demo中为0xf4。
经过UPX处理后，压缩后的文件格式如下。
new eheader(64 bytes) (文件头)
+ new pheader(56 bytes) * 3 (程序头表)
+ l_info(12 bytes)
+ p_info(12 bytes)
+ b_info(12 bytes) + compressed block (原程序文件头和程序头表)
+ b_info(12 bytes) + compressed block (第一个类型为PT_LOAD的段中除原程序文件头和程序头表的部分)
+ b_info(12 bytes) + compressed block (第二个类型为PT_LOAD的段)
+ ......
+ fpad8 (8字节对齐)
+ int(4 bytes) (第一个b_info的文件偏移)
+ int(4 bytes) (当前位置的文件偏移，也就是之前所有数据总长度)
+ loader (加载器，也就是脱壳代码)
+ b_info(12 bytes) + compressed block (第一个PT_LOAD和第二个PT_LOAD中间的数据)
+ b_info(12 bytes) + compressed block (第二个PT_LOAD和第三个PT_LOAD中间的数据)
+ ......
+ b_info(12 bytes) + compressed block (最后一个PT_LOAD到文件末尾之间的数据)
+ 00 00 00 00 55 50 58 21 00 00 00 00 (b_info)
+ fpad4 (4字节对齐)
+ PackHeader(32 bytes)
+ int(4 bytes) (p_info的文件偏移)
其中，b_info、l_info和p_info是三个结构体。
针对demo文件的loader生成代码在 upx-3.96/src/p_lx_elf.cpp 文件的PackLinuxElf64::buildLinuxLoader()函数中，loader中各section的相应顺序由函数PackLinuxElf::addStubEntrySections()确定。
除了"FOLDEXEC"，其余section的汇编代码在upx-3.96/src/stub/src/amd64-linux.elf-entry.S文件中，编译后的二进制数据在文件upx-3.96/src/stub/amd64-linux.elf-entry.h中。loader直接使用*.h文件中的二进制数据。
最终，demo文件压缩后loader的结构如下
FOLDEXEC节存放的是压缩后的数据，源数据是编译后的二进制数据，存放在upx-3.96/src/stub/amd64-linux.elf-fold.h文件中。
编译前的代码分为两部分，一部分是upx-3.96/src/stub/src/amd64-linux.elf-fold.S文件中的汇编代码，一部分是upx-3.96/src/stub/src/amd64-linux.elf-main.c文件中的C代码。该文件核心是upx_main()函数，此函数返回值为解压后程序(原程序)的入口点.
在阅读UPX源码过程中，经常需要对压缩后的文件格式进行分析，以验证自己的猜想。因为笔者经常使用010作为二进制分析工具，遂决定自己写一个010模板。这里是对标准的 ELF.bt(V2.5.5)进行了修改。
首先，将上节所述的三个关键结构体加入到模板中，为了增加可读性，在个别字段添加属性值。添加的结构体代码如下：
然后，将原来模板中file结构体中对section的解析代码去掉，因为UPX压缩后的文件没有相关字段。
最后，在file结构体中program_header_table结构体生成之后，添加l_info结构之后的数据解析代码。
最终效果如下，红框中是我们添加的新结构。
修改完成的模板见结尾文件 upx.bt。因为文件格式问题，该模板只适用于 demo 文件压缩后的文件。大家有其他需求可以在此基础上自己修改。
之前做病毒分析时，碰到了一个无法使用标准UPX程序解压的程序。后来通过搜寻资料和学习，了解到有多种方式可实现该效果。基本思路是修改替换程序中的特征字符，常见的修改方法如下：
据此，笔者萌生直接对源码进行修改的想法，所以有以下两个简单尝试。
本次尝试主要是修改源程序的入口点位置，使常规的UPX解压程序后无法快速找到正确的入口点位置。
存储入口点之前，处理该值，这里异或一个常量0xdeafdeaf。文件upx-3.96/src/p_unix.cpp添加如下代码
解压得到入口点之后，处理该值，也是异或常量0xdeafdeaf。这里有两种方式，实现的功能一样。
xor eax, 3736067759 -> 35 AF DE AF DE -> 53,175,222,175,222
上面对于入口点的修改虽然成功了，但是压缩后的程序仍然可被解压。而且从原理来看，解压后是可以看到原程序代码执行逻辑的。所以笔者有了第二次代码修改。主要修改思路是，对压缩之前的数据进行处理，然后再进行压缩。这样标准UPX就无法解压我们自己压缩的程序，比只对入口点的修改效果更好。
压缩前修改数据，我们做一个简单的异或处理，这里对所有的数据异或0xe9(十进制为233)
文件：upx-3.96/src/compress.cpp
upx_compress函数修改，核心部分
upx_decompress函数修改，此处修改主要是因为在文件upx-3.96/src/packer.cpp的Packer::compress函数中，会对压缩后的数据进行解压验证，需要保持压缩和解压函数逻辑对称。
upx在加载loader是会对其进行压缩处理，而解压算法已写成汇编代码，修改起来比较麻烦。这里我就对loader数据多进行一次处理，以抵消upx-3.96/src/compress.cpp文件upx_compress函数中添加的异或处理。
文件：upx-3.96/src/p_lx_elf.cpp
因为原数据压缩前进行了处理，为保证执行时程序逻辑不变，需要对解压后的数据进行逆处理。下面就是对loader的源码进行修改。
文件：upx-3.96/src/stub/src/amd64-linux.elf-main.c
本文主要介绍了三个部分的内容：
文章较短，如有不足，恳请指正，不胜感激。
https://www.cnblogs.com/ichunqiu/p/7245329.html
https://bbs.kanxue.com/thread-257797.htmtmnxue.com/thread-257797.htm
void PackUnix::pack(OutputFile *fo)
{ Filter ft(ph.level);
ft.addvalue = 0;
b_len = 0;
progid = 0;
// set options
blocksize = opt->o_unix.blocksize;
if (blocksize <= 0)
blocksize = BLOCKSIZE;
if ((off_t)blocksize > file_size)
blocksize = file_size;
// init compression buffers
ibuf.alloc(blocksize);
obuf.allocForCompression(blocksize);
fi->seek(0, SEEK_SET);
pack1(fo, ft); // generate Elf header, etc.
p_info hbuf;
set_te32(&hbuf.p_progid, progid);
set_te32(&hbuf.p_filesize, file_size);
set_te32(&hbuf.p_blocksize, blocksize);
fo->write(&hbuf, sizeof(hbuf));
// append the compressed body
if (pack2(fo, ft)) {
// write block end marker (uncompressed size 0)
b_info hdr; memset(&hdr, 0, sizeof(hdr));
set_le32(&hdr.sz_cpr, UPX_MAGIC_LE32);
fo->write(&hdr, sizeof(hdr));
}
pack3(fo, ft); // append loader
pack4(fo, ft); // append PackHeader and overlay_offset; update Elf header
// finally check the compression ratio
if (!checkFinalCompressionRatio(fo))
throwNotCompressible();
}void PackUnix::pack(OutputFile *fo)
{ Filter ft(ph.level);
ft.addvalue = 0;
b_len = 0;
progid = 0;
// set options
blocksize = opt->o_unix.blocksize;
if (blocksize <= 0)
blocksize = BLOCKSIZE;
if ((off_t)blocksize > file_size)
blocksize = file_size;
// init compression buffers
ibuf.alloc(blocksize);
obuf.allocForCompression(blocksize);
fi->seek(0, SEEK_SET);
pack1(fo, ft); // generate Elf header, etc.
p_info hbuf;
set_te32(&hbuf.p_progid, progid);
set_te32(&hbuf.p_filesize, file_size);
set_te32(&hbuf.p_blocksize, blocksize);
fo->write(&hbuf, sizeof(hbuf));
// append the compressed body
if (pack2(fo, ft)) {
// write block end marker (uncompressed size 0)
b_info hdr; memset(&hdr, 0, sizeof(hdr));
set_le32(&hdr.sz_cpr, UPX_MAGIC_LE32);
fo->write(&hdr, sizeof(hdr));
}
pack3(fo, ft); // append loader
pack4(fo, ft); // append PackHeader and overlay_offset; update Elf header
// finally check the compression ratio
if (!checkFinalCompressionRatio(fo))
throwNotCompressible();
}// 在每个压缩块之前，存放压缩前和压缩后的数据大小
struct b_info { // 12-byte header before each compressed block
uint32_t sz_unc; // uncompressed_size
uint32_t sz_cpr; // compressed_size
unsigned char b_method; // compression algorithm
unsigned char b_ftid; // filter id
unsigned char b_cto8; // filter parameter
unsigned char b_unused;
};// 存放校验数据和"UPX!"魔数
struct l_info // 12-byte trailer in header for loader (offset 116)
{ uint32_t l_checksum;
uint32_t l_magic;
uint16_t l_lsize;
uint8_t l_version;
uint8_t l_format;
};// 全文只有一个该结构体，存储的是原文件的大小
struct p_info // 12-byte packed program header follows stub loader
{ uint32_t p_progid;
uint32_t p_filesize;
uint32_t p_blocksize;
};// 在每个压缩块之前，存放压缩前和压缩后的数据大小
struct b_info { // 12-byte header before each compressed block
uint32_t sz_unc; // uncompressed_size
uint32_t sz_cpr; // compressed_size
unsigned char b_method; // compression algorithm
unsigned char b_ftid; // filter id
unsigned char b_cto8; // filter parameter
unsigned char b_unused;
};// 存放校验数据和"UPX!"魔数
struct l_info // 12-byte trailer in header for loader (offset 116)
{ uint32_t l_checksum;
uint32_t l_magic;
uint16_t l_lsize;
uint8_t l_version;
uint8_t l_format;
};// 全文只有一个该结构体，存储的是原文件的大小
struct p_info // 12-byte packed program header follows stub loader
{ uint32_t p_progid;
uint32_t p_filesize;
uint32_t p_blocksize;
};voidPackLinuxElf::addStubEntrySections(Filter const *)
{ addLoader("ELFMAINX", NULL);
if (hasLoaderSection("ELFMAINXu")) {
// brk() trouble if static
addLoader("ELFMAINXu", NULL);
}
//addLoader(getDecompressorSections(), NULL);
addLoader(
( M_IS_NRV2E(ph.method) ? "NRV_HEAD,NRV2E,NRV_TAIL"
: M_IS_NRV2D(ph.method) ? "NRV_HEAD,NRV2D,NRV_TAIL"
: M_IS_NRV2B(ph.method) ? "NRV_HEAD,NRV2B,NRV_TAIL"
: M_IS_LZMA(ph.method) ? "LZMA_ELF00,LZMA_DEC20,LZMA_DEC30"
: NULL), NULL);
if (hasLoaderSection("CFLUSH"))
addLoader("CFLUSH");
addLoader("ELFMAINY,IDENTSTR", NULL);
if (hasLoaderSection("ELFMAINZe")) { // ppc64 big-endian only
addLoader("ELFMAINZe", NULL);
}
addLoader("+40,ELFMAINZ", NULL);
if (hasLoaderSection("ANDMAJNZ")) { // Android trouble with args to DT_INIT
if (opt->o_unix.android_shlib) {
addLoader("ANDMAJNZ", NULL); // constant PAGE_SIZE
}
else {
addLoader("ELFMAJNZ", NULL); // PAGE_SIZE from AT_PAGESZ
}
addLoader("ELFMAKNZ", NULL);
}
if (hasLoaderSection("ELFMAINZu")) {
addLoader("ELFMAINZu", NULL);
}
addLoader("FOLDEXEC", NULL);
}voidPackLinuxElf::addStubEntrySections(Filter const *)
{ addLoader("ELFMAINX", NULL);
if (hasLoaderSection("ELFMAINXu")) {
// brk() trouble if static
addLoader("ELFMAINXu", NULL);
}
//addLoader(getDecompressorSections(), NULL);
addLoader(
( M_IS_NRV2E(ph.method) ? "NRV_HEAD,NRV2E,NRV_TAIL"
: M_IS_NRV2D(ph.method) ? "NRV_HEAD,NRV2D,NRV_TAIL"
: M_IS_NRV2B(ph.method) ? "NRV_HEAD,NRV2B,NRV_TAIL"
: M_IS_LZMA(ph.method) ? "LZMA_ELF00,LZMA_DEC20,LZMA_DEC30"
: NULL), NULL);
if (hasLoaderSection("CFLUSH"))
addLoader("CFLUSH");
addLoader("ELFMAINY,IDENTSTR", NULL);
if (hasLoaderSection("ELFMAINZe")) { // ppc64 big-endian only
addLoader("ELFMAINZe", NULL);
}
addLoader("+40,ELFMAINZ", NULL);
if (hasLoaderSection("ANDMAJNZ")) { // Android trouble with args to DT_INIT
if (opt->o_unix.android_shlib) {
addLoader("ANDMAJNZ", NULL); // constant PAGE_SIZE
}
else {
addLoader("ELFMAJNZ", NULL); // PAGE_SIZE from AT_PAGESZ
}
addLoader("ELFMAKNZ", NULL);
}
if (hasLoaderSection("ELFMAINZu")) {
addLoader("ELFMAINZu", NULL);
}
addLoader("FOLDEXEC", NULL);
}ELFMAINXNRV_HEADNRV2E NRV_TAILELFMAINYIDENTSTR+40 (4字节对齐)
ELFMAINZFOLDEXECELFMAINXNRV_HEADNRV2E NRV_TAILELFMAINYIDENTSTR+40 (4字节对齐)
ELFMAINZFOLDEXEC/*************************************************************************
// upx_main - called by our entry code
//
// This function is optimized for size.
**************************************************************************/
void *
upx_main( // returns entry address
struct b_info const *const bi, // 1st block header
size_t const sz_compressed, // total length
Elf64_Ehdr *const ehdr, // temp char[sz_ehdr] for decompressing
Elf64_auxv_t *const av,
f_expand *const f_exp,
f_unfilter *const f_unf
#if defined(__x86_64) //{ , Elf64_Addr elfaddr // In: &Elf64_Ehdr for stub
#elif defined(__powerpc64__) //}{ , Elf64_Addr *p_reloc // In: &Elf64_Ehdr for stub; Out: 'slide' for PT_INTERP
, size_t const PAGE_MASK
#elif defined(__aarch64__) //}{ , Elf64_Addr elfaddr
, size_t const PAGE_MASK
#endif //}){ ......
}/*************************************************************************
// upx_main - called by our entry code
//
// This function is optimized for size.
**************************************************************************/
void *
upx_main( // returns entry address
struct b_info const *const bi, // 1st block header
size_t const sz_compressed, // total length
Elf64_Ehdr *const ehdr, // temp char[sz_ehdr] for decompressing
Elf64_auxv_t *const av,
f_expand *const f_exp,
f_unfilter *const f_unf
#if defined(__x86_64) //{ , Elf64_Addr elfaddr // In: &Elf64_Ehdr for stub
#elif defined(__powerpc64__) //}{ , Elf64_Addr *p_reloc // In: &Elf64_Ehdr for stub; Out: 'slide' for PT_INTERP
, size_t const PAGE_MASK
#elif defined(__aarch64__) //}{ , Elf64_Addr elfaddr
, size_t const PAGE_MASK
#endif //}){ ......
}typedef uint uint32_t;typedef ushort uint16_t;typedef uchar uint8_t;struct b_info // 12-byte header before each compressed block
{ uint32_t sz_unc<format = hex, comment = "Uncompressed size">; // uncompressed_size
uint32_t sz_cpr<format = hex, comment = "Compressed size">; // compressed_size
unsigned char b_method<comment = "Compression algorithm">; // compression algorithm
unsigned char b_ftid; // filter id
unsigned char b_cto8; // filter parameter
unsigned char b_unused;
};struct l_info // 12-byte trailer in header for loader (offset 116)
{ uint32_t l_checksum;
uint32_t l_magic<format = hex, comment = "UPX!">;
uint16_t l_lsize;
uint8_t l_version;
uint8_t l_format;
};struct p_info // 12-byte packed program header follows stub loader
{ uint32_t p_progid;
uint32_t p_filesize;
uint32_t p_blocksize;
};typedef struct{ b_info bheader;
char data[bheader.sz_cpr];
}cblock;typedef struct{ uint32 offset_b_info;
uint32 data_size;
}endheader;typedef uint uint32_t;typedef ushort uint16_t;typedef uchar uint8_t;struct b_info // 12-byte header before each compressed block
{ uint32_t sz_unc<format = hex, comment = "Uncompressed size">; // uncompressed_size
uint32_t sz_cpr<format = hex, comment = "Compressed size">; // compressed_size
unsigned char b_method<comment = "Compression algorithm">; // compression algorithm
unsigned char b_ftid; // filter id
unsigned char b_cto8; // filter parameter
unsigned char b_unused;
};struct l_info // 12-byte trailer in header for loader (offset 116)
{ uint32_t l_checksum;
uint32_t l_magic<format = hex, comment = "UPX!">;
uint16_t l_lsize;
uint8_t l_version;
uint8_t l_format;
};struct p_info // 12-byte packed program header follows stub loader
{ uint32_t p_progid;
uint32_t p_filesize;
uint32_t p_blocksize;
};typedef struct{ b_info bheader;
char data[bheader.sz_cpr];
}cblock;typedef struct{ uint32 offset_b_info;
uint32 data_size;
}endheader;// 需要删除的代码
// Find the header name location 869行
local quad section_name_off =
file.elf_header.e_shoff_SECTION_HEADER_OFFSET_IN_FILE +
(file.elf_header.e_shentsize_SECTION_HEADER_ENTRY_SIZE *
file.elf_header.e_shtrndx_STRING_TABLE_INDEX);
// Find the header name block
if (file.elf_header.e_ident.ei_class_2 == ELFCLASS32) {
......
} else {
......
}local int sec_tbl_cur_elem;
// Find the section headers
if(file.elf_header.e_shnum_NUMBER_OF_SECTION_HEADER_ENTRIES > 0) {
......
}local int sym_sect;
local int sym_name_sect;
// Find the symbol section
sym_sect = FindNamedSection(".symtab");
if(sym_sect >= 0) {
......
}// Find the dynamic symbol section
sym_sect = FindNamedSection(".dynsym");
if(sym_sect >= 0) {
......
}// 需要删除的代码
// Find the header name location 869行
local quad section_name_off =
file.elf_header.e_shoff_SECTION_HEADER_OFFSET_IN_FILE +
(file.elf_header.e_shentsize_SECTION_HEADER_ENTRY_SIZE *
file.elf_header.e_shtrndx_STRING_TABLE_INDEX);
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VM得下下个阶段了，下一步想着想研究下解压的汇编代码 
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看看解压算法是自已实现的，还是用了第三方的压缩引擎 |
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UDX使用的是开源的UCL压缩库吧，那东西对于PE的压缩率很高，主要是解压速度快。一直在使用。http://www.oberhumer.com/opensource/ucl/
最后于 2023-1-7 21:55
被bestbird编辑
，原因： 添加附件
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是的，我后来就是用这个工具重新编译修改后的代码生成 amd64-linux.elf-fold.h 文件 |
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WIN的加壳流程我不太清楚，得你自己阅读源码了。loader部分的话使用的是另外的文件，在目录upx-3.96/src/stub/src/可以看到
最后于 2023-2-6 14:29
被luoye_ATL编辑
，原因：
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请教下windows环境下怎么使用这个工具呢 |
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你这个问题我也遇到了，答案是那个p_lx_elf里有两个同名函数，分别隶属于不同的类，用于处理不同平台下的loader（一个32位的一个64位的），你改了其中一个但实际用的是另一个就会出现这个问题，得俩都改才能保证linux下的使用没有问题 |
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好的，我一会试试，谢谢~ |
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