聊一聊虚拟机保护的技术

作者：东方容克 2018-04-04 14:43:27

云计算

虚拟化 所谓虚拟机保护技术，是指将代码翻译为机器和人都无法识别的一串伪代码字节流；在具体执行时再对这些伪代码进行一一翻译解释，逐步还原为原始代码并执行。

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虚拟机概览

所谓虚拟机保护技术，是指将代码翻译为机器和人都无法识别的一串伪代码字节流；在具体执行时再对这些伪代码进行一一翻译解释，逐步还原为原始代码并执行。

这段用于翻译伪代码并负责具体执行的子程序就叫作虚拟机VM（好似一个抽象的CPU）。它以一个函数的形式存在，函数的参数就是字节码的内存地址。

将虚拟机应用到商业中的保护壳现有三款:Vmprotect，themida和 execrypt。

虚拟机架构

我们知道，代码中的指令多种多样，组织形式也千变万化；虚拟机不可能针对每一种具体情况都进行翻译处理。必须对所有可能遇到的指令先进行抽象归类，然后分解为若干简单的小指令，再交由各个专门的子程序（handler）去处理。

学过编译原理的同学应该都知道三元式代码吧，也叫做3地址代码(three adress code)。即不论多么复杂的赋值公式，都可以分解为数个3地址代码式序列。（什么是3地址代码，1段3地址代码只完成1次运算，譬如1次二目运算、1次比较，或者1次分支跳转运算。）

与此类似，不论多么复杂的指令，都可以分解为一串不可再分割的原子指令序列。

虚拟机（CPU）的体系架构可分为3种，基于堆栈的(Stack based)，基于寄存器的(Register based)和3地址机器。我们只讲述基于堆栈的虚拟机架构(Stack based)；这种架构的虚拟机需要频繁操作堆栈，其使用的虚拟寄存器(虚拟的eax、ebx等等)保存在堆栈中；每个原子指令的handler都需要push、pop。

现在的CPU都有大量的寄存器，堆栈一般只是在函数传递参数时使用（譬如PC机用的x86系列CPU）。但也有一些CPU只操作内存，没有堆栈，也没有寄存器。使用这种CPU的机器称之为3地址机器。

基于堆栈的CPU或虚拟机没有临时变量、寄存器的概念，所有的东西都放入堆栈。由于指令中不需要指定操作数，所以其指令相对基于寄存器的要短。也因此相对简单，在嵌入式系统中运用较多。用于保护代码，我们也选择这种。

举例，譬如指令add,基于堆栈的CPU首先从堆栈里Pop两个数，然后将两数相加，再把和Push到堆栈。Add指令只占用1个字节。而基于寄存器的CPU对应指令为 add Reg1,Reg2，需要3个字节。请仔细想象一下没有寄存器的CPU，它的指令是怎样的，该会是多么简洁。当然，指令简洁带来的缺点就是效率低下。

我们这里谈的虚拟机保护技术，就是把基于寄存器的CPU代码，改造成基于堆栈的CPU的伪代码。然后再由基于堆栈的虚拟机(CPU)对伪代码解释执行。

指令系统

关键在于设计一个虚拟的基于堆栈的虚拟机(CPU)的指令系统。这个指令系统越简洁，复用性越高越好。

还是以add 指令为例。X86系列CPU的add指令有许多格式，譬如：add reg,imm 、add reg,reg、add reg,mem、add mem,reg等等。而基于堆栈的虚拟机CPU则没有这么多花样，就一个单单的add指令，参数和返回都是在堆栈里。

我们需要为我们的虚拟机CPU模拟实现这样的add命令：

而原有的add命令的参数，我们需要翻译为 push 命令 。根据push 的对象不同，需要不同的实现：

有Push指令了，也得有Pop指令：

基于堆栈的虚拟机指令系统就是这样简单的：单字节的动作指令（譬如add、dec），以及各式各样的push、pop等堆栈操作指令。没有复杂的寄存器与内存操作。我们需要把x86的CPU指令翻译成虚拟机CPU的指令，譬如：

Call指令相对麻烦一点，因为Call的函数未必是虚拟机的伪代码了。所以碰到Call指令，就要退出虚拟机，交由真实的CPU去处理了。代码类似下面：

其余，要注意标志位的处理、不可模拟指令，以及指令的优化。还有异常处理，这里就不展开了。

VStartVM是虚拟机的入口，负责保存运行环境(各个寄存器的值)、以及初始化堆栈(虚拟机使用的变量全部在堆栈中)。

Bytecode是伪代码；VMDispatcher对伪代码逐个阅读处理，然后分发给下面的各个子程序(Handler)。

加壳程序先把已知的X86指令解释成了字节码，放在PE文件中，然后将原处代码删掉，改成类似的代码进入虚拟机执行循环。

VStartVM初始化后，堆栈情形如下：

edi指向VMcontext;esi指向伪代码的地址；ebp指向真实堆栈的栈顶; 这三个寄存器在VM内不要再改了。

VMContext是虚拟机VM使用的虚拟环境结构：

VM之所以使用堆栈保存自己的寄存器结构，是考虑到多线程程序的兼容。

大家都知道脱壳时的堆栈平衡原理吧。同样的，虚拟机在执行翻译后的程序代码时，也不可以随便变动原来的堆栈地址。还需经常检查在堆栈中的VMcontext结构不被冲掉。