【硬件虚拟化第二弹】远离kernel的理想乡

标题：【硬件虚拟化第二弹】远离kernel的理想乡
作者：三寸法师
时间：2011-05-30 14:23:24
链接：http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=134692

简介

这个故事描述了如何使用硬件虚拟化(HVM)使得自己的一些hook代码远离内核不容易被其他内核hook所影响并且较难被检测。本文的思路来源于某学校的动态linux内核更新的玩意,代码大量抄自bluepill。

第一章 (Avalon) 阿瓦隆的黎明

由于驱动牛人越来越多系统控制权的争夺愈演愈烈，内核之中几乎无一块净土。inline hook、ssdt hook等等各种hook充斥着我们幼小的内核。他们有些结构复杂，有些相互关联，有些检测监视，想要重新获得那些控制点的控制权必须花些力气研究那些hook，使得原来很简单的hook变得牵一发而动全身。

现在有硬件虚拟化技术，我们可以换个思路来解决那些问题了…

一、(Avalon)阿瓦隆的构成

(Avalon) 阿瓦隆的本体为以下几个部分：

1.    Avlboot.sys（用于保存刚初始化后还没被hook污染的系统内核方便之后使用）

2.       Avalon.sys(用于读取伪内核信息，开启硬件虚拟化加载伪内核)

3.    XXX.sys(用户利用Avlboot.sys中所提供的信息进行具体hook操作的程序)

二、(Avalon)阿瓦隆的真相

本文所介绍的(Avalon) 阿瓦隆是一个基于虚拟化的内核加载框架。其利用硬件虚拟化(HVM)和一块没有被hook污染的内核内存，使得PC中同时运行着两个内核。并且Avalon通过控制sysenter_eip和idt中指向伪内核的相应地址来获得控制权。

简而言之，(Avalon)阿瓦隆就是利用硬件虚拟化(HVM)加载自己的内核架空原内核，使得自己能在不被检测的环境下获得内核的控制权。

实现原理如下图所示：

自己的hook程序在获得伪内核的基地址后，可以通过hookport来处理ssdt，shadow ssdt(strongod需要备份其所hook的ssdt稍微麻烦点,agp什么的只要把地址偏移一下就能用了)



三、(Avalon)阿瓦隆的应用

其实我们可以把(Avalon)阿瓦隆看成是一种变相的sysenter hook+idt hook。

由于(Avalon)阿瓦隆基于硬件虚拟化(HVM)使得我们可以架空整个内核，使得内核可以在运行时可以实时的替换。

因为伪内核的所在内存范围不受内存监控，别的程序也无法直接访问，使得我们的伪内核就成了不用考虑其他干扰问题，可以随意hook的安全的理想乡。

这种方式的hook和传统的一些hook相比有着以下优点：

1．  不在传统的内存监控的范围，较难检测。

2．  不干扰系统中原有的hook代码，兼容性较高。

但是同样有一些缺点：

1．  无法直接干涉object hook,irp hook等不依赖于内核内存的hook代码

2．整个系统依赖于硬件虚拟化(HVM)，对硬件设备有一定要求。

第二章空想具现化

一、纯洁的初始化

首先我们来实现(Avalon)阿瓦隆的初始化，初始化由4个部分组成：内核信息获取、伪内核构造、IDT信息保存、原始SYSENTER_EIP获取。

实现代码如下：

NTSTATUS DriverEntry (IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
{

...

KrnlCopy();
IDTCopy();
ReadMsrSysenter();

...

}

/*

   内核拷贝

*/

VOID KrnlCopy()
{
PVOID Buffer;
ULONG Size;
ULONG RetSize;
PSYSTEM_MODULE_INFORMATION InfoBuffer;
NTSTATUS Status;
PVOID ModuleBase;
ULONG ModuleSize;

Size=0x1000;

do {
  Buffer=ExAllocatePool(NonPagedPool,Size);
  Status=ZwQuerySystemInformation(SystemModuleInformation,Buffer,Size,&RetSize);
  if (Status == STATUS_INFO_LENGTH_MISMATCH)
        {
            ExFreePool(Buffer);
            Size = RetSize;
        }
}while(Status == STATUS_INFO_LENGTH_MISMATCH);

InfoBuffer = (PSYSTEM_MODULE_INFORMATION)Buffer;

ModuleBase=(PVOID)(InfoBuffer->ModuleInfo[0].Base);
Orig_krnl=(ULONG)ModuleBase;

DbgPrint("AvlBoot:Orig_krnl Base=%x\n",ModuleBase);
ModuleSize=InfoBuffer->ModuleInfo[0].Size;
makeKernelCopy((ULONG)ModuleBase,ModuleSize);
DbgPrint("AvlBoot:Avl_krnl Base=%x\n",Avl_krnl);
ExFreePool(Buffer);
}

等初始化之后，其他部件就可以通过访问Avlboot.sys来获得伪内核的信息和内核原始信息。

二、抄来的虚拟化

这里先简单的向大家介绍下，Intel vt硬件虚拟化的步骤：

1.检查vt环境

2.开启vt功能

3.填充vt，存储虚拟机状态

4.设定需要拦截项目

5.设定从虚拟机中退出时返回的地址

6.启动虚拟机，等待拦截项目触发

7.拦截项目被触发，进入相关项目的处理例程

8.恢复虚拟机继续运行

接下来是一些坑爹的代码：

/*
   Vmx初始化
*/
NTSTATUS NTAPI VmxInitialize (
    PCPU Cpu,
    PVOID GuestEip,
    PVOID GuestEsp
)
{
    PHYSICAL_ADDRESS AlignedVmcsPA;
    ULONG VaDelta;
    NTSTATUS Status;

    // 为 VMXON region 申请内存空间
    Cpu->Vmx.OriginaVmxonR = MmAllocateContiguousPages(
        VMX_VMXONR_SIZE_IN_PAGES,
        &Cpu->Vmx.OriginalVmxonRPA);
    if (!Cpu->Vmx.OriginaVmxonR)
    {
  DbgPrint("VmxInitialize(): Failed to allocate memory for original VMCS\n");
        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
    }

    DbgPrint("VmxInitialize(): OriginaVmxonR VA: 0x%x\n", Cpu->Vmx.OriginaVmxonR);
    DbgPrint("VmxInitialize(): OriginaVmxonR PA: 0x%llx\n", Cpu->Vmx.OriginalVmxonRPA.QuadPart);

    // 为 VMCS 申请内存空间
    Cpu->Vmx.OriginalVmcs = MmAllocateContiguousPages(
        VMX_VMCS_SIZE_IN_PAGES,
        &Cpu->Vmx.OriginalVmcsPA);
    if (!Cpu->Vmx.OriginalVmcs)
    {
  DbgPrint("VmxInitialize(): Failed to allocate memory for original VMCS\n");
        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
    }

    DbgPrint("VmxInitialize(): Vmcs VA: 0x%x\n", Cpu->Vmx.OriginalVmcs);
    DbgPrint("VmxInitialize(): Vmcs PA: 0x%llx\n", Cpu->Vmx.OriginalVmcsPA.QuadPart);

    // 开启vmx
    if (!NT_SUCCESS (VmxEnable (Cpu->Vmx.OriginaVmxonR)))
    {
        DbgPrint("VmxInitialize(): Failed to enable Vmx\n");
        return STATUS_UNSUCCESSFUL;
    }

    *((ULONG64 *)(Cpu->Vmx.OriginalVmcs)) =
        (MsrRead (MSR_IA32_VMX_BASIC) & 0xffffffff); //set up vmcs_revision_id

    // 填充VMCS结构
Status = VmxSetupVMCS (Cpu, GuestEip, GuestEsp);
    if (!NT_SUCCESS (Status))
    {
        DbgPrint("VmxSetupVMCS() failed with status 0x%08hX\n", Status);
        VmxDisable();
        return Status;
    }

    DbgPrint("VmxInitialize(): Vmx enabled\n");

   // 保存EFER
    Cpu->Vmx.GuestEFER = MsrRead (MSR_EFER);
    DbgPrint("Guest MSR_EFER Read 0x%llx \n", Cpu->Vmx.GuestEFER);

   // 保存控制寄存器
    Cpu->Vmx.GuestCR0 = RegGetCr0 ();
    Cpu->Vmx.GuestCR3 = RegGetCr3 ();
    Cpu->Vmx.GuestCR4 = RegGetCr4 ();

    CmCli ();
    return STATUS_SUCCESS;
}

/*
   开启vmx
*/
NTSTATUS NTAPI VmxEnable (
    PVOID VmxonVA
)
{
    ULONG cr4;
    ULONG64 vmxmsr;
    ULONG flags;
    PHYSICAL_ADDRESS VmxonPA;

// 设置cr4位，为启用VM模式做准备
    set_in_cr4 (X86_CR4_VMXE);
    cr4 = get_cr4 ();
    DbgPrint("VmxEnable(): CR4 after VmxEnable: 0x%llx\n", cr4);
    if (!(cr4 & X86_CR4_VMXE))
        return STATUS_NOT_SUPPORTED;

// 检测是否支持vmx
    vmxmsr = MsrRead (MSR_IA32_FEATURE_CONTROL);
    if (!(vmxmsr & 4))
    {
        DbgPrint("VmxEnable(): VMX is not supported: IA32_FEATURE_CONTROL is 0x%llx\n", vmxmsr);
        return STATUS_NOT_SUPPORTED;
    }

//bochs的bug，要改IA32_FEATURE_CONTROL的Lock为1
#if bochsdebug
MsrWrite(MSR_IA32_FEATURE_CONTROL,5);
    #endif

    vmxmsr = MsrRead (MSR_IA32_VMX_BASIC);
    *((ULONG64 *) VmxonVA) = (vmxmsr & 0xffffffff);       //set up vmcs_revision_id
    VmxonPA = MmGetPhysicalAddress (VmxonVA);

    DbgPrint("VmxEnable(): VmxonPA:  0x%llx\n", VmxonPA.QuadPart);

//开启VMX
VmxTurnOn(VmxonPA);
    flags = RegGetEflags ();
    DbgPrint("VmxEnable(): vmcs_revision_id: 0x%x  Eflags: 0x%x \n", vmxmsr, flags);

    return STATUS_SUCCESS;
}

/*
   进入虚拟机
*/
NTSTATUS NTAPI VmxVirtualize (
  PCPU Cpu
)
{

    ULONG esp;
    if (!Cpu)
        return STATUS_INVALID_PARAMETER;

*((PULONG) (g_HostStackBaseAddress + 0x0C00)) = (ULONG) Cpu;

    VmxLaunch ();

    // never returns

    return STATUS_UNSUCCESSFUL;
}

三、蛋疼的拦截处理

sysenter的处理方法：

由于硬件虚拟化(HVM)无法直接拦截sysenter指令，所以只能使用其他方法来获得控制权。

这里有两种方法：

1.       在kifastcallentery的头部写入cpuid，int3等利用中断或特权指令进入vm。

2.       使用调试寄存器在kifastcallentery下硬件执行中断，利用中断进入vm

3.       进入VMM后直接修改guest的sysenter_eip地址，通过控制msr的读写来欺骗其他访问msr的程序。

为了不被内存检测和充分利用调试寄存器，Avalon中我选用了方案3来控制进程执行sysenter后的运行流向。

部分代码：
static BOOLEAN NTAPI VmxDispatchMsrRead (
  PCPU Cpu,
  PGUEST_REGS GuestRegs,
  PNBP_TRAP Trap,
  BOOLEAN WillBeAlsoHandledByGuestHv
)
{

...

switch (ecx) {
  case MSR_IA32_SYSENTER_CS:
    MsrValue.QuadPart = VmxRead (GUEST_SYSENTER_CS);
    break;

  case MSR_IA32_SYSENTER_ESP:
    MsrValue.QuadPart = VmxRead (GUEST_SYSENTER_ESP);
    break;
  case MSR_IA32_SYSENTER_EIP:
    MsrValue.QuadPart = Avlkrnlinfo->SysenterAddr;

...

}

idt重定向处理方法：

1.       idt地址欺骗

2.       idt模拟投递

第一种是指方案拦截sidt,lidt指令填充一份伪造的idt地址误导访问者（由系统投递相对稳定）。

第二种是指方案模拟idt的处理过程自己写程序投递idt。

因为方案一需要使用反汇编引擎分析具体的保存地址体积过大，所以本版的Avalon使用第二种方案即idt模拟投递。

部分代码：

static BOOLEAN NTAPI VmxDispatchException (
  PCPU Cpu,
  PGUEST_REGS GuestRegs,
  PNBP_TRAP Trap,
  BOOLEAN WillBeAlsoHandledByGuestHv
)

{

...

  //SETP 7. SET EIP

  if((uIntrInfo & 0xff) == 1){
   ComPrint("VmxDispatchException():#BD hit  /n");
   VmxWrite(GUEST_RIP,Avlkrnlinfo->Fake_IDTMap[0]);
  }
  else if ((uIntrInfo & 0xff) == 3){
   ComPrint("VmxDispatchException():#BP hit /n");
   VmxWrite(GUEST_RIP,Avlkrnlinfo->Fake_IDTMap[1]);}

...

}

第三章理想乡的黄昏

一、(Avalon)阿瓦隆的检测

对于基于硬件虚拟化(HVM)的程序，首先想到的方法必然就是直接检测和对抗硬件虚拟化。

对硬件虚拟化的检测主要有：efer的检测，vme的检测。

对于处理了中断的vmm还能通过计算中断前后的时间差来判断自身是否在虚拟机中。

当然针对Avalon还有其他的检测方法（此处省略xx字）

二、未来的更新

Avalon才刚刚开始功能并不完善，还有好多功能想加进去：

1.       将内核移入EPT(NPT)让你完全看不到

2.       和ring3程序交互…

3.       其他隐藏功能

总结

Avalon只是硬件虚拟化应用的冰山一角，还有更多的应用等待着我们去探索，小弟的水平有限以后还要向各位高手多多请教继续努力学习。

断章（坑爹的饼）

该bin测试环境如下：
bochs2.4.5
windows xp sp3
（注意：这个bin只是个简单的样品，真机上运行必蓝，且只针对ring0的中断，ring3有3处bug未修复）

附件的内容（bin+source+bin=饼+豆沙+饼）：
avlboot.sys
avalonreader(读取avlboot信息的源码)
avalon_vt.sys

坑爹的饼.rar

调试环境建设方法请看下一篇文章
用虚拟机调试vt程式