从Blue Pill、硬件虚拟化谈安全防护完备性上的一个小原则

原文地址http://blogs.360.cn/360safe/2013/09/30/from-bluepill-vmx-to-a-simple-defence-principle/

多年没写博客了，就先捡点剩菜剩饭炒炒，没啥营养，同学们可以随便看看。另外就是文笔真心烂，阅读的同学们需要点耐心。

这篇博客说说一个安全防护系统完备性上所需的一个小原则：防护系统与被防护对象所用资源的完全隔离，包括防护系统自身工作所依赖的资源不能依赖被防护对象。听起来是原理很简单的一个点，实现中往往很复杂。例如操作系统隔离应用程序、虚拟机监视器隔离客户机，需要考虑方方面面、还需要处理器/芯片组硬件的大量支持。分析、设计系统时遵循许多这类小原则是必要的。

记得好像是06年的时候吧，Joanna团队在Blackhat上推出了一个基于硬件虚拟化的rootkit样本，取名Blue Pill，07年又出了改进的新版New Blue Pill。这个样本并没有任何实质的恶意行为，仅仅是一个最有名气的利用硬件虚拟化支持的原型系统。这回的话题就拿它来做例子说说，从相反的方向介绍这个原则的必要性。

New Blue Pill作为一个驱动程序加载后，沉淀下去，利用硬件虚拟化支持将原本的操作系统置入客户机中运行，其自身则以虚拟机监视器的形态存在。它的目的是展示一个利用硬件虚拟化技术的rootkit，和一些利用了硬件虚拟化支持的程序（如某些调试器）一样，它是不完备的，我们可以较为简单的检测它、脱离它的控制。阅读过new blue pill源代码的同学们很容易回忆起来，这个虚拟机监视器工作所需的不少资源都没有有效保护、客户机软件可随意访问修改，其中一个很重要的就是物理内存资源。BluePill的内存保护仅仅是虚拟内存隐藏，原理见Joanna所绘图示（图1）。其虚拟机监视器有自己的私有页表，同时将客户机操作系统所用页表中对自己的映射处理掉，因此客户机中的软件想直接访问虚拟机监视器的虚存页面自然不行。

 

这样的虚拟内存保护有多大作用呢，因为客户机和虚拟机监视器的物理内存资源并没有有效隔离，不符合原则，所以效果只能说是聊胜于无。客户机内的软件可以轻松访问虚拟机监视器的物理内存，篡改虚拟机监视器代码数据乃至完全突破使客户机原操作系统重回Host环境（如VMX Root）运行。下面的内容阅读前需要预先熟悉一些Intel64体系结构、Windows内核上的一些知识。

先设计一个非常简单的物理内存访问库（工作于Win7 X64系统），原理为修改事先分配的NonPagedPool页所对应的PTE，使该线性地址可以用来依次映射我们指定的物理内存页面。注意x64系统如此分配一般获得一个在大页面中的线性地址，所以需要重新映射一下，以便得到可供修改的4K页对应的PTE；另外要注意的是这个映射方案是演示用的、很粗糙的，不应随意用该PTE去映射已被以NonCached等类型映射的物理空间，如外设的IO映射地址空间。

001typedef struct _MAP_STRUCT {

002    PVOID OrigPage;

003    PVOID MapPage;

004    PMDL Mdl;

005    PHYSICAL_ADDRESS MapPagePhys;

006} MAP_STRUCT, *PMAP_STRUCT;

007 

008#define VIRTUAL_ADDRESS_BITS 48

009#define VIRTUAL_ADDRESS_MASK ((((ULONG_PTR)1) << VIRTUAL_ADDRESS_BITS) - 1)

010 

011#define PTE_BASE          0xFFFFF68000000000UI64

012 

013#define PTI_SHIFT 12

014#define PDI_SHIFT 21

015#define PPI_SHIFT 30

016#define PXI_SHIFT 39

017 

018#define PTE_SHIFT 3

019 

020#define _HARDWARE_PTE_WORKING_SET_BITS  11

021 

022typedef struct _MMPTE {

023    ULONGLONG Valid : 1;

024    ULONGLONG Writable : 1;        // changed for MP version

025    ULONGLONG Owner : 1;

026    ULONGLONG WriteThrough : 1;

027    ULONGLONG CacheDisable : 1;

028    ULONGLONG Accessed : 1;

029    ULONGLONG Dirty : 1;

030    ULONGLONG LargePage : 1;

031    ULONGLONG Global : 1;

032    ULONGLONG CopyOnWrite : 1; // software field

033    ULONGLONG Prototype : 1;   // software field

034    ULONGLONG Write : 1;       // software field - MP change

035    ULONGLONG PageFrameNumber : 28;

036    ULONG64 reserved1 : 24 - (_HARDWARE_PTE_WORKING_SET_BITS+1);

037    ULONGLONG SoftwareWsIndex : _HARDWARE_PTE_WORKING_SET_BITS;

038    ULONG64 NoExecute : 1;

039} MMPTE, *PMMPTE;

040 

041#define MiGetPteAddress(va) \

042    ((PMMPTE)(((((ULONG_PTR)(va) & VIRTUAL_ADDRESS_MASK) >> PTI_SHIFT) << PTE_SHIFT) + PTE_BASE))

043 

044NTSTATUS

045InitMapPage(

046    OUT PMAP_STRUCT MapHandle

047    )

048{

049    NTSTATUS Status = STATUS_SUCCESS;

050    PMMPTE pte;

051 

052    RtlZeroMemory(MapHandle, sizeof(*MapHandle));

053 

054    try {

055 

056        MapHandle->OrigPage = ExAllocatePool(NonPagedPool,

057                                             PAGE_SIZE);

058 

059        if (MapHandle->OrigPage == NULL)

060        {

061            Status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;

062            leave;

063        }

064 

065        MapHandle->Mdl = IoAllocateMdl(MapHandle->OrigPage,

066                                       PAGE_SIZE,

067                                       FALSE,

068                                       FALSE,

069                                       NULL);

070 

071        if (MapHandle->Mdl == NULL)

072        {

073            Status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;

074            leave;

075        }

076 

077        //

078        // Remap

079        //

080 

081        MapHandle->MapPage = MmMapLockedPagesSpecifyCache(MapHandle->Mdl,

082                                                          KernelMode,

083                                                          MmCached,

084                                                          NULL,

085                                                          FALSE,

086                                                          HighPagePriority);

087 

088        if (MapHandle->MapPage == NULL)

089        {

090            Status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;

091            leave;

092        }

093 

094        pte = MiGetPteAddress(MapHandle->MapPage);

095 

096        MapHandle->MapPagePhys.QuadPart = *(PULONGLONG)pte;

097 

098    } finally {

099 

100        if (!NT_SUCCESS(Status))

101        {

102            if (MapHandle->Mdl != NULL)

103            {

104                IoFreeMdl(MapHandle->Mdl);

105            }

106 

107            if (MapHandle->OrigPage != NULL)

108            {

109                ExFreePool(MapHandle->OrigPage);

110            }

111        }

112    }

113 

114    return Status;

115}

116 

117PVOID

118MapSpecifiedPage(

119    IN PMAP_STRUCT MapHandle,

120    IN PHYSICAL_ADDRESS PhysicalAddress

121    )

122{

123    PMMPTE pte = MiGetPteAddress(MapHandle->MapPage);

124 

125    pte->PageFrameNumber = PhysicalAddress.QuadPart >> 12;

126 

127    _ReadWriteBarrier();

128 

129    __invlpg(MapHandle->MapPage);

130 

131    return MapHandle->MapPage;

132}

133 

134VOID

135FiniMapPage(

136    IN PMAP_STRUCT MapHandle

137    )

138{

139    PMMPTE pte = MiGetPteAddress(MapHandle->MapPage);

140 

141    pte->PageFrameNumber = MapHandle->MapPagePhys.QuadPart >> 12;

142 

143    MmUnmapLockedPages(MapHandle->MapPage, MapHandle->Mdl);

144 

145    IoFreeMdl(MapHandle->Mdl);

146 

147    ExFreePool(MapHandle->OrigPage);

148}

然后下面的程序片段基于这个访问库，搜索当前Intel Core i3 CPU所关联的VMCS，顺便打印了其中的一些由New Blue Pill事先填充的数据：

01{

02    ……

03 

04    PhysicalMemoryBlock = MmGetPhysicalMemoryRanges();

05 

06    if (PhysicalMemoryBlock == NULL)

07    {

08        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;

09    }

10 

11    Status = InitMapPage(&MapHandle);

12 

13    if (!NT_SUCCESS(Status))

14    {

15        ExFreePool(PhysicalMemoryBlock);

16 

17        return Status;

18    }

19 

20    i = 0;

21 

22    while (PhysicalMemoryBlock[i].NumberOfBytes.QuadPart != 0)

23    {

24        PHYSICAL_ADDRESS BaseAddress = PhysicalMemoryBlock[i].BaseAddress;

25        LARGE_INTEGER NumberOfBytes = PhysicalMemoryBlock[i].NumberOfBytes;

26 

27        DbgPrint("BaseAddress: %I64x\n", BaseAddress.QuadPart);

28        DbgPrint("NumberOfBytes: %I64x\n", NumberOfBytes.QuadPart);

29 

30        while (NumberOfBytes.QuadPart > 0)

31        {

32            MapAddress = (PUCHAR)MapSpecifiedPage(&MapHandle, BaseAddress);

33 

34            if (MapAddress != NULL)

35            {

36                //

37                // 偏移依赖处理器实现，这里是Intel Core i3.

38                // 部分硬编码依赖nbp

39                //

40 

41                if(*(PULONG)MapAddress == 0x10 &&                 // VMCS revision identifier

42                    *(PULONG)(MapAddress + 0x2D0) == 0x7F &&      // Guest GDTR limit

43                    *(PULONG)(MapAddress + 0x2D4) == 0xFFF &&     // Guest IDTR limit

44                    *(PULONGLONG)(MapAddress + 0x358) == __readmsr(0xc0000101)) // Host GS base

45                {

46                    //

47                    // Vmcs for current cpu.

48                    //

49 

50                    DbgPrint("VMCS: %I64x\n", MapAddress);

51                    DbgPrint("VMCS Host RIP: %I64x\n",

52                             *(PULONGLONG)(MapAddress + 0x390));

53                    DbgPrint("VMCS Host GDTR Base: %I64x\n",

54                             *(PULONGLONG)(MapAddress + 0x368));

55                    DbgPrint("VMCS Host IDTR Base: %I64x\n",

56                             *(PULONGLONG)(MapAddress + 0x370));

57                }

58            }

59 

60            BaseAddress.QuadPart += PAGE_SIZE;

61            NumberOfBytes.QuadPart -= PAGE_SIZE;

62        }

63 

64        i ++;

65    }

66 

67    FiniMapPage(&MapHandle);

68 

69    ExFreePool(PhysicalMemoryBlock);

70 

71……

72}

程序debug输出如图2。

拿到这些信息，怎么制作“Red Pill”跳出被硬件虚拟化监控的状态就非常简单了，举个例子——比如首先可以通过Host CR3查找、修改Host页表映射加入我们的代码物理页（当然也可以直接利用Host中已经被映射的物理页面）；随后通过修改VmxVmexitHandler（图中VMCS Host RIP所指）代码或者直接替换每个VMCS的Host RIP，在合适的VM Exit时获得Host上的运行权；最后利用获得的信息修改CPU各寄存器并转移到正确位置执行。具体代码就不贴了，有兴趣的同学可以试试。完成了这些，也就突破了nbp的限制。故以nbp的需求而言，它至少要管理完整的客户页表结构（构建Shadow Page Table或使用EPT/NPT）。

反过来，我们设计虚拟化系统或是其它安防系统，就要认真思考完备性的一些原则，才有做到滴水不漏的可能。当然了这类原则也不需要无限制扩大，例如为安全卫士设计硬件虚拟化辅助的需求，其主要是以扩充X64系统安全防护能力为目标，例如使得64位windows上的卫士软件不受PatchGuard限制，获得类似32位一样的拦截、防护能力。因此不仅无需提供物理内存防护，还要从保障性能方面考虑尽量减少不必要的#VMEXIT。