Exploring the x64

Exploring the x64

村上純一執行役員先端技術研究部長

（株）フォティーンフォティ技術研究所

自己紹介

• 村上純一 – （株）フォティーンフォティ技術研究所

– カーネルモードでのWindows、Linuxにおける開発

– セキュリティ脆弱性分析、マルウェア解析、P2P解析等

– 講演活動 • Black Hat 2008 US and Japan, AVAR 2009,

RSA Conference(2009-)

– セキュリティ&プログラミングキャンプ講師(2006-)

2

はじめに

• IA64

• Linux, *BSD, Mac, etc.

3

& 目標

x86で利用される様々なテクニックがx64ではどのようになっているかを明確にする

難易度

環境

• Windows 7 x64 Edition • Visual Studio 2008 • Windbg • IDA Pro Advanced

– Standard Editionは、x64未対応

4

アジェンダ

• Windows x64

• ABI(Application Binary Interface)

• API Hooking

• Code Injection

5

Windows x64

• Native x64 およびWoW64

• 仮想メモリ空間

– 2^64 = 16 Exa Byte ( Exa: 10^18)

–実際には、最大16TBに制限されている

• ファイル・レジストリリフレクション

• 64-bit用の追加API

– IsWow64Process, GetNativeSystemInfo, etc.

6

x86 – プロセスメモリ空間

7

0x0

0xffffffff (4GB)

0x7fffffff (2GB)

カーネル

ユーザー空間

0x7fffffff

0x0

ntdll.dll

kernel32.dll

MSVCR90.dll

実行モジュール 0x00400000


8

0x0

0xfff`ffffffff (16TB)

0x7ff`ffffffff (8TB)

カーネル

ユーザー空間

2GB

・・・・・・・

x 4096(0x7ff`ffffffff / 0x7fffffff )

・・・・・・・

x 4096

2GB


9

0x0

カーネル

ユーザー空間

0x0

KERNELBASE.dll

実行モジュール 0x1`40000000

0x7fffffff



0x7fff`fffffff

ntdll.dll

kernel32.dll

MSVCR90.dll

/DYNAMICBASE:NO

WoW64 – プロセスメモリ空間

10

0x0



カーネル

ユーザープロセス

x 4096

0x7fffffff

0x0

ntdll.dll

kernel32.dll

wow64

実行モジュール 0x00400000

ntdll32.dll

kernelbase.dll

wow64win

wow64cpu C:¥Windows¥System32¥ntdll.dll

C:¥Windows¥SysWOW64¥ntdll.dll

ABI

• バイナリ形式

• レジスタ

• 呼び出し規約

• 例外処理

• システムコール(x64, WoW64)

11

バイナリ形式 = PE32+

• 基本的な構造は、概ねPE32と同様

• IMAGE_NT_HEADERS.FileHeader.Machine

– 0x014c => x86

– 0x8664 => x64

12

バイナリ形式

• 次のフィールドサイズが64-bitsに拡張されている

– IMAGE_NT_HEADERS.IMAGE_OPTIONAL_HEADER

• ImageBase

• SizeOfStackReserve

• SizeOfStackCommit

• SizeOfHeapReserve

• SizeOfHeapCommit

13

レジスタ

x86(32-bits) x64(64-bits)

EAX RAX R8

ECX RCX R9

EDX RDX R10

EBX RBX R11

ESI RSI R12

EDI RDI R13

ESP RSP R14

EBP RBP R15

EIP RIP

14

呼び出し規約

• 始めの4つの引数は、RCX, RDX, R8, R9レジスタを利用して渡される（5つ目以降は、スタック経由）

• 呼び出し側がスタック上にレジスタ・ホーム・スペースを確保

• 返り値は、x86同様RAXレジスタ経由で返却される

• リーフ関数・非リーフ関数 – リーフ関数：スタックを一切利用しない関数

– PE32+は、非リーフ関数の情報を例外ディレクトリに保存している

• レジスタの揮発性 – 揮発レジスタ：RAX, RCX, RDX, R8-R11

– 不揮発レジスタを関数内で変更する場合は、スタックを利用して保存・復元を行う必要がある

15

呼び出し規約

16

int foo(int a, int b, int c, int d, int e) { int x = 0; x = a + b + c + d + e * 2; return x; } int main(void) { int rc; rc = foo(1, 2, 3, 4, 5); printf("%d¥n", rc); return rc; }

rc

r9 (home)

r8 (home)

rdx (home)

rcx (home)

Low

High

retaddr

x

5th parameter

rsp

rsp

rsp

rsp

sub rsp,30h

mov dword ptr [rsp+20h],5 mov r9d,4 mov r8d,3 mov edx,2 mov ecx,1 call foo

mov dword ptr [rsp+20h],r9d mov dword ptr [rsp+18h],r8d mov dword ptr [rsp+10h],edx mov dword ptr [rsp+8h],ecx sub rsp,8h

例外処理

• テーブルベースでの処理 – x86で利用されていたリンクリストでの管理は廃止

17

参考） x86での例外処理

例外ディレクトリ及びRUNTIME_FUNCTION構造体

18

Section A

PE32+

DOS Header

DOS stub

NT FileHeader

NT Optional Header

Section Header

Section B

Section C

Export Table

Import Table

Resource Table

Exception Table

Import Address Table

・・・

・・・

Data Directory

RUNTIME_FUNCTION_ENTRY



・・・

struct _RUNTIME_FUNCTION { ULONG BeginAddress; ULONG EndAddress; ULONG UnwindData; }

dumpbin /unwindinfo

Begin End Info Function Name

00000000 00001000 00001041 000022D4 foo

Unwind version: 1

Unwind flags: None

Size of prologue: 0x16

Count of codes: 1

Unwind codes:

16: ALLOC_SMALL, size=0x18

0000000C 00001050 00001095 000022DC main

Unwind version: 1

Unwind flags: None

Size of prologue: 0x04

Count of codes: 1

Unwind codes:

04: ALLOC_SMALL, size=0x48

19

RUNTIME_FUNCTION.UnwindData

20

typedef struct _UNWIND_INFO { UBYTE Version : 3; UBYTE Flags : 5; UBYTE SizeOfProlog; UBYTE CountOfCodes; UBYTE FrameRegister : 4; UBYTE FrameOffset : 4; UNWIND_CODE UnwindCode[1]; union { // If (Flags & UNW_FLAG_EHANDLER) OPTIONAL ULONG ExceptionHandler; // Else if (Flags & UNW_FLAG_CHAININFO) OPTIONAL ULONG FunctionEntry; }; // If (Flags & UNW_FLAG_EHANDLER) OPTIONAL ULONG ExceptionData[]; } UNWIND_INFO, *PUNWIND_INFO;

#define UNW_FLAG_NHANDLER 0x0 #define UNW_FLAG_EHANDLER 0x1 #define UNW_FLAG_UHANDLER 0x2 #define UNW_FLAG_CHAININFO 0x4

cf. http://www.osronline.com/article.cfm?article=469

ExceptionData

typedef struct _SCOPE_TABLE { ULONG Count; struct { ULONG BeginAddress; ULONG EndAddress; ULONG HandlerAddress; ULONG JumpTarget; } ScopeRecord[1]; } SCOPE_TABLE, *PSCOPE_TABLE;

21

cf. http://www.osronline.com/article.cfm?article=469

try/except

22

int main(void) { int x = 0; __try { printf("%d¥n", 100/x); printf("foo¥n"); printf("bar¥n"); printf("baz¥n"); } __except(EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) { printf("catch!¥n"); } return 0; }

try/except

23

140001000 sub rsp,28h 140001004 mov eax,64h 140001009 cdq 14000100A xor ecx,ecx 14000100C idiv eax,ecx 14000100E mov edx,eax 140001010 lea rcx,[400021B0h] 140001017 call qword ptr [40002130h] 14000101D lea rcx,[400021B4h] 140001024 call qword ptr [40002130h] 14000102A lea rcx,[400021BCh] 140001031 call qword ptr [40002130h] 140001037 lea rcx,[400021C4h] 14000103E call qword ptr [40002130h] 140001044 jmp 0000000140001054 140001046 lea rcx,[400021D0h] 14000104D call qword ptr [40002130h] 140001053 nop 140001054 xor eax,eax 140001056 add rsp,28h 14000105A ret

Name main Unwind version: 1 Unwind flags: EHANDLER Size of prologue: 0x04 Count of codes: 1 Unwind codes 04: ALLOC_SMALL, size=0x28 Handler:0000165C __C_specific_handler Count of scope table entries: 1 Begin 00001004 End 00001046 Handler 00000001 Target 00001046

例外ディレクトリの効用

• 実行ファイル内の非リーフ関数を列挙可能

• 非リーフ関数それぞれについて：

–例外処理の情報を取得可能

–スタック及び不揮発レジスタの用途を把握可能

24

システムコール x86

25

IDTR

MSR[176h]

SDT (ntoskrnl.exe)

SDT Shadow (win32k.sys)

IDT

・・・

・・・

KiSystemService

Nt* APIs

Nt* APIs (User/GDI)

SSDT

SSDT other interrupt handlers

int 0x2e or sysenter

システムコール x64

26

ntdll.dll NtCreateFile

kernel32.dll

CreateFileWImplementation

(CreateFileW)

kernelbase.dll CreateFileW

実行モジュール CreateFileW

mov r10,rcx mov eax,52h syscall ret nop dword ptr [rax+rax]

システムコール WoW64

27

ntdll32.dll NtCreateFile

kernel32.dll

CreateFileWImplementation

(CreateFileW)

kernelbase.dll CreateFileW

実行モジュール CreateFileW

mov eax,52h xor ecx,ecx lea edx,[esp+4] call dword ptr fs:[0C0h] add esp,4 ret 2Ch

fs:[0C0h]

28

0:000:x86> dt _TEB dbgbreak!_TEB +0x000 NtTib : _NT_TIB (snip) +0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32 Void +0x030 ProcessEnvironmentBlock : Ptr32 _PEB +0x034 LastErrorValue : Uint4B +0x038 CountOfOwnedCriticalSections : Uint4B +0x03c CsrClientThread : Ptr32 Void +0x040 Win32ThreadInfo : Ptr32 Void +0x044 User32Reserved : [26] Uint4B +0x0ac UserReserved : [5] Uint4B +0x0c0 WOW32Reserved : Ptr32 Void

• FSレジスタは、TEB(Thread Environment Block) のアドレスを保持

0:000:x86> dd fs:[0C0h] 0053:000000c0 738c2320 00000411 00000000 00000000 ↑ X86SwitchTo64BitMode

Systemcall WoW64

29

wow64cpu.dll

X86SwitchTo64BitMode

CpupReturnFromSimulatedCode

TurboDispatchJumpAddressEnd

wow64.dll

Wow64SystemServiceEx

jmp 0033:CpupReturnFromSimulatedCode

call fs:[0C0h]

GDT (超約)

30

仮想メモリ空間 • 仮想メモリ空間をセグメントとして管理

• カーネルコード、カーネルデータ • ユーザコード、ユーザデータ等 seg. A

seg. B

seg. C

0x0

0xff

ID seg. base limit type

0x00 A 0x0 0x3f RW

0x08 B 0x40 0x7f RE

0x10 C 0x0 0xff RE

セグメントセレクタ

GDT

Windows 7(x64)でのGDTダンプ結果

31

kd> dg 0x00 0x60 P Si Gr Pr Lo Sel Base Limit Type l ze an es ng Flags ---- ----------------- ----------------- ---------- - -- -- -- -- -------- 0000 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0008 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0010 00000000`00000000 00000000`00000000 Code RE Ac 0 Nb By P Lo 0000029b 0018 00000000`00000000 00000000`ffffffff Data RW Ac 0 Bg Pg P Nl 00000c93 0020 00000000`00000000 00000000`ffffffff Code RE 3 Bg Pg P Nl 00000cfa 0028 00000000`00000000 00000000`ffffffff Data RW Ac 3 Bg Pg P Nl 00000cf3 0030 00000000`00000000 00000000`00000000 Code RE Ac 3 Nb By P Lo 000002fb 0038 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0040 00000000`00b9b080 00000000`00000067 TSS32 Busy 0 Nb By P Nl 0000008b 0048 00000000`0000ffff 00000000`0000f800 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0050 ffffffff`fffe0000 00000000`00003c00 Data RW Ac 3 Bg By P Nl 000004f3 0058 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0060 00000000`00000000 00000000`ffffffff Code RE 0 Bg Pg P Nl 00000c9a

Kernel CS(x64), Kernel DS User CS(x86), User DS

User CS(x64)

GDT[0x30]の内容

• ベース: 0x000`00000000

• リミット: 0x000`00000000

• タイプ: CODE, Read, Execute and Accessed

• 特権レベル: 3(ユーザーモード)

• L (64-bitコードセグメント) flag: 1

32

システムコール WoW64

33

wow64.dll


whNtCreateFile

ntdll.dll

NtCreateFile

mov r10,rcx mov eax,52h syscall ret

システムコール WoW64 (return to x86)

34

ntdll.dll

NtCreateFile

wow64.dll

whNtCreateFile


wow64cpu.dll

TurboDispatchJumpAddressEnd

CpuSimulate

mov dword ptr [r14+4],23h mov r8d,2Bh mov ss,r8w mov esp,dword ptr [r13+0C8h] mov r9d,dword ptr [r13+0BCh] mov dword ptr [r14],r9d jmp fword ptr [r14]

0:000> dd r14 00000000`0008ec70 77330056 00000023 0008ed30 00000000 ↑ ↑ offset User Code(x86)

デモ: WoW64からのx64 APIの直接呼出し

• x86からx64への遷移

– jmp 0033:XXXXXXXX

• API呼び出し

– rax: システムコール番号

– rdx: 引数リストのアドレス

– syscall

• x64からx86への遷移

– call 0023:XXXXXXXX

35

API Hooking

• IAT Hooking

– x86と同様の手法で実現可能

• Code Hooking

36

Code Hooking

• 基本的な方法は、x86と同じ

• ただし実装の詳細に若干の差異有り

37

mov edi,edi mov ebp,esp push ebp sub esp,0xc … …

対象API

mov edi,edi push ebp mov ebp,esp sub esp,8h jmp XXXXXXXX

トランポリンコード

… … … jmp trampoline

フック関数

push hookfunc ret nop nop

REXプレフィックス

• 0x40～0x4E – x86: INC 、DEC 命令

– x64: REX プレフィックス(レジスタ拡張)

• 例) 0x48,0xB8,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x88

38

48 B8 11 22 33 44 55 66 77 88 mov rax,8877665544332211h

48 dec eax B8 11 22 33 44 mov eax,44332211h 55 push ebp 66 77 88 ja 00004E9F

x86:

x64:

Code Hooking

39

00000000779811E4 mov rax,7FFFFFA0028h 00000000779811EE push rax 00000000779811EF ret 00000000779811F2 …

000007FFFFFA0034 sub rsp,38h 000007FFFFFA0038 xor r11d,r11d 000007FFFFFA003B cmp dword ptr [7FFFFFC0F8Ch],r11d 000007FFFFFA0042 push rax 000007FFFFFA0043 mov rax,779811F2h 000007FFFFFA004D xchg rax,qword ptr [rsp] 000007FFFFFA0051 ret

フック関数

書換えた元のコード

フックした関数への復帰先

Code Injection

• WoW64 からWoW64ヘのインジェクション

• x64からx64へのインジェクション

• WoW64 から x64へのインジェクション

• x64 からWoW64ヘのインジェクション

40

x64環境は、x86マルウェアへの魔除けになるか?

(Fail CreateRemoteThead API)

まとめ

• Windows x64

• ABI(Application Binary Interface)

• API Hooking

• Code Injection

41

Special thanks

• Toshiaki Ishiyama@FFR

• Satoshi Tanda@FFR

42

Technology

Exploring the x64