虚拟机保护技术浅谈

对加密与解密的内容进行了一些总结、重新归纳整理，加入了自己的理解；希望对新手有所帮助。

《加密与解密》第三版第471页

虚拟机保护技术

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：

Vadd: ;virtual add Mov eax,[esp+4] ;取源操作数 Mov ebx,[esp] ;取目的操作数 Add ebx,eax ; Add esp,8 ;把参数从堆栈中删掉，平衡堆栈 Push ebx ;把结果压入堆栈

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：

vPushReg32: ;寄存器入栈。esi指向字节码的内存地址 Mov eax,dword ptr[esi] ;从伪代码(字节码)中获得寄存器在VMcontext结构中的偏移地址 Add esi,4 ;VMcontext结构保存了各个寄存器的值。该结构保存在堆栈内。 Mov eax,dowrd ptr [edi +eax] ;得到寄存器的值。edi指向VMcontext结构的基址 Push eax ;压入堆栈 Jmp VMDispatcher ;任务完成,跳回任务分派点vPushImm32: ;立即数入栈 Mov eax,dword ptr[esi] ;字节码，不用翻译就是了 Add esi,4 Push eax ;立即数入栈 Jmp VMDispatcher

有Push指令了，也得有Pop指令：

vPopReg32: Mov eax,dword,ptr[esi] ;从伪代码(字节码)中获得寄存器在VMcontext结构中的偏移地址 Add esi,4 Pop dword ptr [edi+eax] ;弹回寄存器 Jmp VMDispatcher

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：

Add esi,eax 转换为虚拟机的指令如下: vPushReg32 eax_index vPushReg32 esi_index Vadd vPopReg32 esi_index ;不弹eax_index，它作为返回结果保存在堆栈里

涉及跳转的指令：(譬如Jmp、Call、Ret)

Esi指向当前伪代码的地址，就好比我们虚拟机CPU的IP寄存器，指向当前指令的地址。

可以通过修改Esi来改变程序执行的流程。譬如：

Vjmp: Mov esi,dword ptr [esp] ;jmp的参数在堆栈中 Add esp,4 ;平衡堆栈 Jmp VMDispatcher

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：

Vcall: Push all vreg ;所有的虚拟的寄存器 (维护在堆栈中) Pop all reg ;弹出到真实的寄存器中(保存虚拟机的运行结果) Push 返回地址 ;可以让Call调用完成后，把控制权归还给虚拟机。详细见原书第480页。 Push 要调用的函数地址 Retn

以下是vRetn:

vRetn: Xor eax,eax Mov ax,word ptr [esi] ;retn的操作数是WORD类型的 Add esi,2 ; Mov ebx,dword ptr[ebp] ;得到要返回的地址 Add ebp,4 ;释放空间 Add ebp,eax ;如果有操作数，同样释放 Push ebx ;压入返回地址 Push ebp ;压入堆栈指针 Push [edi + 0x1c] ;逐个压入虚拟寄存器的值 Push [edi + 0x18] Push [edi + 0x14] Push [edi + 0x10] Push [edi + 0x0c] Push [edi + 0x08] Push [edi + 0x04] Push [edi] pop eax ;弹出至寄存器 pop ebx pop ecx pop edx pop esi pop edi pop ebp Popfd Pop esp ;还原堆栈指针 retn

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。

push bytecode ;伪代码地址，作为参数

jmp VstartVM

VstartVM就是进入虚拟机的函数，它的代码大概类似这样的：

VStartVM: push eax ;将寄存器压入堆栈,后面会由伪指令取出并存放到VMContext中;此处也可以加入一些随机特征用于迷惑 push ebx push ecx push edx push esi push edi push ebp pushfd mov esi ,[esp+0x20] ;esp+0x20指向VStartVM的参数,即伪代码的内存地址 mov ebp,esp ;ebp指向当前堆栈 Sub esp,0x200 ;在堆栈中开辟0x200字节,存放VMcontext mov edi,esp ;edi指向VMcontext Sub esp,0x40 ;到这里，才到达VM真正使用的堆栈，不一定非要0x40字节VMDispatcher: Mov eax,byte ptr[esi] ;获得伪代码 bytecode Lea esi,[esi+1] Jmp dword ptr [eax*4+JumpAddr];跳到Handler执行处，由加壳引擎填充 ;每读一个byte就跳到函数表模拟执行代码。(堆栈型CPU的指令短，1字节足够) ;JUMPADDR就是一张函数表（有点类似VTBL或者switch-case表），VM_END ;VM结束标记

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：

Struct VMContext { DWORD v_eax; DWORD v_ebx; DWORD v_ecx; DWORD v_edx; DWORD v_esi; DWORD v_edi; DWORD v_ebp; DWORD v_efl; }

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。

VCheckESP: Lea eax,dword ptr [edi+0x100] Cmp edi,ebp ;比较 ebp与edi(VMContext)之间的距离 Jl VMDispatcher ;如果小于就继续执行 Mov edx,edi Mov ecx,esp Sub ecx,edx ;ecx = esp - edi Push esi ;保存esi Mov esi,esp Sub esp,0x60 Mov edi,esp ;edi = esp - 0x60 Push edi ;保存新的edi地址 Sub esp,0x40 Cld Rep movsb ;复制 Pop edi Pop esi Jmp VMDispatcher

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