Windows内存隐藏技术初探
NetRoc
最早看到Shadow Walker这种隐藏内存数据的技术的时间忘了，呵呵。大约是一年多或者两年以前吧。当时还只是提出了理论性的东西，没有人实现出来。前段时间搞NP玩的时候，对Themida和虚拟机深恶痛绝，遂想，干脆把内存数据隐藏得了，省得挂个钩子还得缩手缩脚，找个一劳永逸的办法。于是google了一把网上的代码，自己也花了几天时间实现了一下。虽然不太完美，不支持PAE，目前也只能隐藏ring3的代码，不过对这项技术的原理和实现也算是摸清楚了。由于对现在的安全软件具有极度破坏性的杀伤力，开始没想写这篇文章，不过最近确实比较无聊，NMAKE的文章又比较难写，so还是写写玩吧，权当练文笔了，呵呵。
关于内存隐藏的概念。有时候我们会面临这么一个问题，如果我们有一段内存中的代码，不想被别人发现，但是又要它能确确实实的执行起来起作用，怎么办？或许有很多办法，比如自我变形之类的。但是，如果可以完完全全把这段代码的痕迹从内存中“抹消”，岂不是很舒坦的事情？hoho。简单来说，就是让内存中的一段数据，执行的时候是一个样子，但是read/write的时候又是另外一个样子。是不是有点玄妙了？呵呵。
一切都要从Petium架构CPU提供的TLBS说起。TLBS的全称是Translation Lookaside Buffers。为了加速处理器内存在分页模式下的访问速度，从P6 family的cpu开始就支持这样一种特性。处理器会将最近访问过的页目录(page-directory)和页表(page-table)存储在芯片内部称为translation lookaside buffers的缓存中。P6 family处理器分别为4K页面和4M页面分别保留不同的TLBs。绝大多数对分页的访问，都可以通过TLBs的内容完成，只有在缓存中找不到所访问的页面的信息时，才会去访问实际的页目录和页表。Ring0的代码通过重新装载CR3或者使用INVLPG指令，可以将TLB里面某些页表的入口无效化。而CPU分别为内存的执行和读写保存了不同的TLB，即DTLB和ITLB。对于DTLB，在执行数据访问指令的时候，会更新DTLB中被访问页面的入口；而对于ITLB，在执行某个页面代码的时候，会更新ITLB内的入口。通常情况下，DTLB和ITLB的内容是同步的，但是我们可以通过操作这两种TLB，实现对某段内存的读写/执行控制。
如何才能在某个内存地址被读写或者访问的时候获得控制呢？很明显，当内存访问出错的时候，系统会触发页面异常，即Trap0E。通过钩挂Trap0E，并且将我们要控制的内存页面PTE标记为不存在，并且通过INVLPG指令清空TLB中该页的入口，这样，当对这个页面进行读写/执行访问的时候，TLB中不存在该页的入口信息，并且页面不存在，能够触发Trap0E，使得我们可以获得系统的控制权。
接下来，我们需要区分触发异常是由于读写访问还是执行访问。通过比较发生异常的页面地址，和出现异常的代码地址，我们可以区分异常类型。如果出现异常的地址就是发生异常时正执行的代码地址，那么说明是一次执行访问；反之则是读写访问。在捕获到异常并区分出异常类型之后，就可以通过分别手动装载DTLB和ITLB使得读写/执行数据的过滤。TLB被装载之后，只要没有被清除出去，对这些页面的访问就通过TLB里面的内容实现。这样使得Hook页面之后的访问速度，比未Hook之前并不会有明显的损失。
基本的思想就是这样了，后面贴出来一些我的代码实现，其中很多直接“参考”了OllyBone和网上其他公布出来的代码。
由于目的是想做对目标进程的Hook，并且隐藏被修改的代码，仅需要支持对ring3代码的隐藏即可。我的流程是在驱动中提供了一个接口，将应用层传进去的一段代码复制到要hook的地址，并保存原始内容。通过内存伪装，使得该地址执行的是新代码，而读写操作得到的是旧代码。为了在自己Trap0E里面区分是哪个进程触发的异常，采用了比较奇怪的办法，即通过对比CR3寄存器的值来判断，至于为什么这么做，忘了……。另外，为了装载ITLB，需要调用一下伪装页面内的代码，所以我们在被Hook的页面内需要找到一条retn指令，并把这个地址传递给驱动，在装载ITLB的时候，驱动程序直接call这句retn。
下面的代码还有一些问题，只是当时写的实验性的代码，所以也比较零乱。不过大致的流程是清楚的。
下面这段是IoCtrl里面的
case IOCTL_SHADOWHOOK:
//Shadow Hook!!
g_ulHookPid = (ULONG)PsGetCurrentProcessId();
g_ulHookProcessCr3 = GetCR3();
if( g_pbyCode == NULL)
{
g_pbyCode = ExAllocatePoolWithTag( PagedPool, 4*1024, 'SWHK');
g_pMdl = IoAllocateMdl( g_pbyCode, 4*1024, FALSE, FALSE, NULL);
if ( g_pMdl == NULL)
{
ExFreePool( g_pbyCode);
g_pbyCode = NULL;
break;
}
else
{
__try
{
MmProbeAndLockPages( g_pMdl, KernelMode, IoReadAccess);
g_blIsLocked = TRUE;
}
__except( EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER)
{
IoFreeMdl(g_pMdl);
g_pMdl = NULL;
ExFreePool( g_pbyCode);
g_pbyCode = NULL;
g_blIsLocked = FALSE;
}
}
}
RtlZeroMemory( g_pbyCode, 4*1024);
pstShadowHookInfo = (PSHADOW_HOOK_INFO)Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
RtlCopyMemory( g_pbyCode, (PVOID)(pstShadowHookInfo->ulStartAddr & 0xFFFFF000), 4*1024);
SetCopyOnWrite( (PVOID)pstShadowHookInfo->ulStartAddr);
g_ulHookCodeLen = pstShadowHookInfo->ulLength;
_asm
{//关闭内存写保护
cli;
mov eax,cr0;
and eax,0fffeffffh;
mov cr0,eax;
}
RtlCopyMemory( (PVOID)pstShadowHookInfo->ulStartAddr, (PVOID)pstShadowHookInfo->pbyHookCode, pstShadowHookInfo->ulLength);
_asm
{//重新打开内存写保护
mov eax,cr0;
or eax,0x10000;
mov cr0, eax;
sti;
}
CpuCount = *KeNumberProcessors;
while( CpuCount > 0)
{
KeSetAffinityThread( KeGetCurrentThread(), CpuCount);//绑定CPU
HookMemoryPage( (PVOID)pstShadowHookInfo->ulStartAddr, g_pbyCode, (PVOID)pstShadowHookInfo->pfnNullSub);
CpuCount--;
}
g_blIsHookedPage = TRUE;
ntStatus = HookTrap0E();
if( !NT_SUCCESS(ntStatus))
{
DbgPrint( "HookTrap0E fail./r/n");
}
break;
下面是钩挂Trap0E
Hook Trap0E
NTSTATUS HookTrap0E()
{
CCHAR CpuCount = 0;
PIDTENTRY IdtEntry = NULL;
IDTR stIdtr = {0};
if( g_blIsHookTrapE0)
return STATUS_UNSUCCESSFUL;
CpuCount = *KeNumberProcessors;
while( CpuCount > 0)
{
KeSetAffinityThread( KeGetCurrentThread(), CpuCount);//绑定CPU
//得到 IDTR 中得段界限与基地址
_asm sidt stIdtr;
IdtEntry = (PIDTENTRY)stIdtr.Base;
//保存原有得 IDT
RtlCopyMemory(&g_IdtEntryOld, &IdtEntry[0x0E], sizeof(g_IdtEntryOld));
_asm cli;//禁止中断
g_ulOldTrap0E = (ULONG)IdtEntry[0x0E].OffsetLow | ((ULONG)IdtEntry[0x0E].OffsetHigh<<16);
IdtEntry[0x0E].OffsetLow = (unsigned short)NewTrap0E;
IdtEntry[0x0E].OffsetHigh = (unsigned short)((unsigned int)NewTrap0E>>16);
_asm sti;//开中断
CpuCount--;
}
g_blIsHookTrapE0 = TRUE;
return STATUS_SUCCESS;
}
这是Hook一个页面
void HookMemoryPage( PVOID pExecutePage, PVOID pReadWritePage,
PVOID pfnCallIntoHookedPage)
{
PPTE ExecutePte;
g_pExecutePage = pExecutePage;
g_pReadWritePage = pReadWritePage;
g_pfnCallIntoHookedPage = pfnCallIntoHookedPage;
__asm cli; //关中断
ExecutePte = GetPteAddress( pExecutePage);
g_pReadWritePTE = GetPteAddress( pReadWritePage);
g_ExecutePTE = ExecutePte;
//这里因为我们是Hook ring3页面，所以不用EnableGlobalPageFeature
//EnableGlobalPageFeature( ExecutePte);
//标记页面为不存在
MarkPageNotPresent( ExecutePte);
//清空TLB入口
__asm invlpg pExecutePage
__asm sti //reenable interrupts
}//end HookMemoryPage
下面是钩挂的Trap0E的代码了。关键就在这里。
#pragma optimize( "", off )
void __declspec (naked) NewTrap0E(void)
{
__asm
{
pushad
mov edx, dword ptr [esp+0x20] //PageFault.ErrorCode
test edx, 1 //不是缺页错误
jne PassDown
//通过CR3判断当前进程
mov eax, cr3
cmp eax, g_ulHookProcessCr3
jnz PassDown
mov eax,cr2 //faulting virtual address
////////////////////////////////////////
//判断是否是Hook掉的page
/////////////////////////////////////////
mov ebx, g_pExecutePage
and ebx, 0xFFFFF000
and eax, 0xFFFFF000
cmp eax, ebx
mov eax, cr2
jnz PassDown //不是，传下去
///////////////////////////////////////
//下面处理Hook掉的页面了
/////////////////////////////////////
mov eax, cr2
push eax
push eax
call GetPteAddress
mov ebx, eax //ebx = pPte
pop eax
cmp [esp+0x24], eax //判断是执行出错还是读写时出错?
je LoadITLB
//判断是否是Hook的那些字节
cmp eax, g_pExecutePage
jb LoadDTLB
sub eax, g_pExecutePage
cmp eax, g_ulHookCodeLen
jg LoadDTLB
jmp LoadFakeFrame
LoadITLB:
////////////////////////////////
//是一次执行操作，所以Load ITLB
///////////////////////////////
cli
or dword ptr [ebx], 0x01 //标志页面为存在
call g_pfnCallIntoHookedPage //通过调用一下那个页面内的代码，装载ITLB
and dword ptr [ebx], 0xFFFFFFFE //重新标记为不存在
//sti
jmp ReturnWithoutPassdown
////////////////////////////////
// 这是读写造成的异常，并且不在我们要隐藏的代码范围内，Load DTLB
///////////////////////////////
LoadDTLB:
cli
mov eax,cr2
or dword ptr [ebx], 0x01 //mark the page present
mov eax, dword ptr [eax] //load the DTLB
and dword ptr [ebx], 0xFFFFFFFE //mark page not present
//sti
jmp ReturnWithoutPassdown
/////////////////////////////////
//需要隐藏这段代码，所以Load伪装的页面
/////////////////////////////////
LoadFakeFrame:
mov eax, cr2
mov esi, g_pReadWritePTE
mov ecx, dword ptr [esi] //ecx = PTE of the
//read / write page
//把页面替换为假的
mov edi, [ebx]
and edi, 0x00000FFF //preserve the lower 12 bits of the
//faulting page's PTE
and ecx, 0xFFFFF000 //isolate the physical address in
//the "fake" page's PTE
or ecx, edi
mov edx, [ebx] //save the old PTE so we can replace it
cli
mov [ebx], ecx //replace the faulting page's phys frame
//address w/ the fake one
//load DTLB
or dword ptr [ebx], 0x01 //标志为存在
mov eax, cr2 //faulting virtual address
mov eax, dword ptr[eax] //访问一次页面的数据，Load DTLB
and dword ptr [ebx], 0xFFFFFFFE //重新标志为不存在
//Finally, restore the original PTE
mov [ebx], edx
//sti
ReturnWithoutPassDown:
popad
add esp,4
sti
iretd
PassDown:
popad
jmp g_ulOldTrap0E
}//end asm
}
#pragma optimize( "", on )
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