【硬件虚拟化】远离kernel的理想乡-硬件虚拟化

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。

这里有三种方法：

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。

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。