Unicorn反混淆：恢複被OLLVM保護的程式(一)

一、目标

現在很多程式利用ollvm的控制流平坦化來增加逆向分析的難度。 控制流平坦化 (control flow flattening)的基本思想主要是通過一個主分發器來控制程式基本塊的執行流程，例如下圖是正常的執行流程

1:show1

經過控制流平坦化後的執行流程就如下圖:

1:show2

這樣可以模糊基本塊之間的前後關系，增加程式分析的難度。

二、分析

這裡我們以 check_passwd_arm_flat 為例來嘗試恢複被ollvm混淆後的程式。先拖進ida，從流程圖上可以看到典型的 控制流平台化 之後的結果：

1:cfg

恢複的流程是 分塊→找出真實塊→确定真實塊之間的調用關系→Patch二進制程式

分塊

分塊我們使用 angr 來實作。

filename = "./check_passwd_arm_flat"
start_addr = 0x83B0
end_addr = 0x87D4

project = angr.Project(filename, load_options={'auto_load_libs': False})
print(hex(project.entry))
cfg = project.analyses.CFGFast(regions=[(start_addr,end_addr)],normalize='True',force_complete_scan=False)

target_function = cfg.functions.get(start_addr)
#将angr的cfg轉化為轉化為類似ida的cfg
supergraph = am_graph.to_supergraph(target_function.transition_graph)      

找出真實塊、序言、retn塊和無用塊

1. 函數的開始位址為序言塊的位址
2. 無後繼的塊為retn塊

# get prologue_node and retn_node
prologue_node = None
for node in supergraph.nodes():
    if supergraph.in_degree(node) == 0:
        prologue_node = node
    if supergraph.out_degree(node) == 0 and len(node.out_branches) == 0:
        retn_node = node

print("序言塊={},retn塊={}".format(hex(prologue_node.addr),hex(retn_node.addr)))      

在本例中，真實塊的特點如下:

1. 序言的後繼為主分發器
2. 後繼為主分發器的塊為預處理器
3. 後繼為預處理器的塊為真實塊
4. 剩下的為無用塊

Tip:

在實戰中，需要具體分析出 主分發器, 不一定序言塊之後的就一定是主分發器，也不一定存在預處理器。

def get_relevant_nop_nodes(supergraph, main_dispatcher_node, prologue_node, retn_node):
    # relevant_nodes = list(supergraph.predecessors(pre_dispatcher_node))
    relevant_nodes = []
    nop_nodes = []
    for node in supergraph.nodes():
        # print(hex(node.addr))
        # 和主分發器有聯系，并且size大于8的，認為是真實塊
        if supergraph.has_edge(node, main_dispatcher_node) and node.size > 8:
            # XXX: use node.size is faster than to create a block
            relevant_nodes.append(node)
            # print(hex(node.addr))
            continue
        if node.addr in (prologue_node.addr, retn_node.addr, main_dispatcher_node.addr):
            continue
        # 非真實塊的預設要幹掉
        nop_nodes.append(node)
    return relevant_nodes, nop_nodes      

輸出結果:

******************* 真實塊 ************************
序言塊: 0x83b0
主分發器: 0x87d0
retn塊: 0x87c0
真實塊: ['0x875c', '0x86f4', '0x8794', '0x8658', '0x8628', '0x8714', '0x86d4', '0x87ac', '0x8770', '0x8694', '0x864c', '0x8734', '0x8788', '0x86b0', '0x867c']      

确定真實塊之間的調用關系

網上确定真實塊之間的調用關系大多都是用 angr 的符号執行來實作，不過angr是個強大的工程，強練容易走火入魔，需要從基礎練起。 無名俠 提供了一個Unicorn模拟執行的思路來尋找兩個真實塊的關系。是以本文使用Unicorn來确定真實塊之前的調用關系。

我們隻想得到ollvm路徑，而不是真實代碼塊的運作結果，是以要盡可能屏蔽非ollvm的記憶體操作。具體屏蔽方法稍後介紹。下面這段代碼初始化Unicorn的虛拟CPU，并映射程式代碼記憶體以及棧空間，最後調用hook_add設定UC_HOOK_CODE和UC_HOOK_MEM_UNMAPPED的事件回調。UC_HOOK_CODE回調會在每條指令執行前被調用，UC_HOOK_MEM_UNMAPPED會在記憶體異常的時候調用。

# 初始化
load_base = 0
emu = Uc(UC_ARCH_ARM, UC_MODE_ARM | UC_MODE_LITTLE_ENDIAN)

# 映射代碼段 0x8000是 check_passwd_arm_flat 代碼段的基址
emu.mem_map(0x8000, 4 * 1024 * 1024)
emu.mem_write(0x8000,binByte)

STACK_ADDR = 0x7F000000
STACK_SIZE = 1024 * 1024
start_addr = None

emu.mem_map(STACK_ADDR, STACK_SIZE)
emu.hook_add(UC_HOOK_CODE, hook_code)
emu.hook_add(UC_HOOK_MEM_UNMAPPED,hook_mem_access)      

真實塊之間的關系有兩種：1、順序 2、分支，針對本文的例子，真實塊裡面的分支指令有 moveq movne movlt movgt，是時候祭出這個表了：

條件字段表

條件字尾	标志寄存器	含義
EQ	Z == 1	等于
NE	Z == 0	不等于
CS/HS	C == 1	無符号大于或相同
CC/LO	C == 0	無符号小于
MI	N == 1	負數
PL	N == 0	整數或零
VS	V == 1	溢出
VC	V == 0	無溢出
HI	C == 1 and Z == 0	無符号大于
LS	C == 1 or Z == 0	無符号小于或相同
GE	N == V	有符号大于或等于
LT	N != V	有符号小于
GT	Z == 0 and N == V	有符号大于
LE	Z == 1 or N != V	有符号小于或等于
AL	任何	始終。不可用于B{cond}中

Tip:

分支指令需要具體情況具體分析，沒有通用一勞永逸的解決。除非多費點功夫把所有的分支指令都處理一遍。我懷疑 angr 的符号執行就是把這個活給幹了。

# 分支處理
if ins.mnemonic != 'mov' and ins.mnemonic.startswith('mov'):
    print(">>> branch 0x%x:\t%s\t%s" %(ins.address, ins.mnemonic, ins.op_str))

    if branch_control == 1 :
        vZ = (uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0x40000000) >> 30
        vN = (uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0x80000000) >> 31
        vV = (uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0x10000000) >> 28

        if ins.mnemonic == 'moveq' or ins.mnemonic == 'movne' :
            if vZ == 0:
                uc.reg_write(UC_ARM_REG_CPSR,uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) | 0x40000000)
                print("Z 0->1 change cpsr = 0x%x" % uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR))
            else:
                uc.reg_write(UC_ARM_REG_CPSR,uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0xBFFFFFFF)
                print("Z 1->0 change cpsr = 0x%x" % uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR))
        elif ins.mnemonic == 'movgt':
            if vZ == 0 and vN == vV:
                uc.reg_write(UC_ARM_REG_CPSR,uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) | 0x40000000)
                print("GT 0->1 change cpsr = 0x%x" % uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR))
            else:
                uc.reg_write(UC_ARM_REG_CPSR,uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0x2FFFFFFF)
                print("GT 1->0 change cpsr = 0x%x" % uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR))
        elif ins.mnemonic == 'movlt':
            if vN != vV :
                uc.reg_write(UC_ARM_REG_CPSR,uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0x6FFFFFFF)
                print("lt != -> = change cpsr = 0x%x" % uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR))
            else:
                uc.reg_write(UC_ARM_REG_CPSR,uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR) & 0xEFFFFFFF)
                print("lt = -> != change cpsr = 0x%x" % uc.reg_read(UC_ARM_REG_CPSR))

        else:
            print(">>> None " + ins.mnemonic)      

啟動虛拟機的函數叫find_path，用于尋找真實塊的下一個代碼塊。branch為分支控制。 如果branch = 1，則虛拟機在遇到movxx指令的時候會走movxx條件分支。

def find_path(uc,start_addr,branch = None):
    global block_startaddr
    global distAddr
    global isSucess
    global branch_control

    try:
        block_startaddr = start_addr
        isSucess = False
        distAddr = 0
        branch_control = branch
        uc.emu_start(start_addr,0x10000)
        print("emu end..")

    except UcError as e:
        pc = uc.reg_read(UC_ARM_REG_PC)
        if pc != 0:
            print("find_path UcError: %s  pc:%x" % (e,pc))
            return None
        else:
            print("find_path ERROR: %s  pc:%x" % (e,pc))
    if isSucess:
        return distAddr
    return None      

控制流內建 使用隊列的方式來路徑搜尋，起始搜尋從函數入口開始。函數入口根據offset變量指定。 queue中的元素是一個二進制組，第一項為執行位址，第二項為寄存器環境。每次搜尋開始的時候從queue中擷取一個将要搜尋的真實塊，設定寄存器，調用find_path搜尋下一個真實塊，将搜尋到的真實塊與新寄存器放入隊列（保證上下文完整）使用這樣做的好處就是可以搜尋任意隊列中的代碼塊，并且寄存器環境一定是和該代碼塊一緻的。

queue = [(push_entry,None)]
flow = defaultdict(list)
patch_instrs = {}

while len(queue) != 0:
    env = queue.pop()
    pc = env[0]
    set_context(emu,env[1])

    if pc in flow:
        #print "???"
        continue
    flow[pc] = []

    print('------------------- run %#x---------------------' % pc)
    block = project.factory.block(pc)
    has_branches = False

    # 尋找有分支的代碼塊
    for ins in block.capstone.insns:
        if ins.insn.mnemonic != 'mov' and ins.insn.mnemonic.startswith('mov'):
            if pc not in patch_instrs:
                patch_instrs[pc] = ins
                has_branches = True

    if has_branches:
        # 有分支的代碼塊跑兩次，一次正常，一次分支
        ctx = get_context(emu)
        p1 = find_path(emu,pc,0)
        if p1 != None:
            queue.append((p1,get_context(emu)))
            flow[pc].append(p1)

        set_context(emu,ctx)
        p2 = find_path(emu,pc,1)

        if p1 == p2:
            p2 = None

        if p2 != None:
            queue.append((p2,get_context(emu)))
            flow[pc].append(p2)
    else:
        p = find_path(emu,pc)
        if p != None:
            queue.append((p,get_context(emu)))
            flow[pc].append(p)

print("Emulation arm code done")      

路徑探索，需要禁用掉一切函數調用、非棧空間記憶體通路，當虛拟機指令有記憶體操作需求時，判斷目标記憶體位址範圍是否在棧中，如果不在棧中則跳過該指令, 在本例中有一些記憶體通路代碼段的固定值，這部分指令需要支援。 禁用的指令有bl、blx，隻要識别bl字首即可。

flag_pass = False

for b in ban_ins:
    if ins.mnemonic.find(b) != -1:
        flag_pass = True
        break

if ins.op_str.find('[') != -1:
    if ins.op_str.find('[sp') == -1:
        flag_pass = True
        for op in ins.operands:
            # print(op.type)
            if op.type == ARM_OP_MEM:
                addr = 0
                if op.value.mem.base != 0:
                    addr += uc.reg_read(reg_ctou(ins.reg_name(op.value.mem.base)))
                elif op.value.index != 0:
                    addr += uc.reg_read(reg_ctou(ins.reg_name(op.value.mem.index)))
                elif op.value.disp != 0:
                    addr += op.value.disp
                # 記憶體操作在棧區域
                if addr >= 0x7F000000 and addr < 0x7F000000 + 1024 * 1024 :
                    flag_pass = False
                # 記憶體操作在代碼區域
                if addr >= 0x8000 and addr < 0x9000:
                   flag_pass = False

if flag_pass:
    print("will pass 0x%x:\t%s\t%s" %(ins.address, ins.mnemonic, ins.op_str))
    uc.reg_write(UC_ARM_REG_PC, address + size)
    return      

最後列印出找到的真實塊之前的調用關系

************************flow******************************
0x83b0:  ['0x8628']
0x8628:  ['0x864c', '0x8658']
0x8658:  ['0x867c']
0x867c:  ['0x8628']
0x864c:  ['0x8694']
0x8694:  ['0x8794', '0x86b0']
0x86b0:  ['0x8788', '0x86d4']
0x86d4:  ['0x8788', '0x86f4']
0x86f4:  ['0x8714', '0x8788']
0x8788:  ['0x87ac']
0x87ac:  ['0x87c0']
0x87c0:  []
0x8714:  ['0x8788', '0x8734']
0x8734:  ['0x8770', '0x875c']
0x875c:  ['0x87c0']
0x8770:  ['0x8788']
0x8794:  ['0x87ac']      

Patch二進制程式

首先把無用塊都改成nop指令

for nop_node in nop_nodes:
    fill_nop(origin_data, nop_node.addr-base_addr,nop_node.size, project.arch)      

然後針對沒有産生分支的真實塊把最後一條指令改成jmp指令跳轉到下一真實塊

print("{} jmp {}".format(hex(parent),hex(childs[0])) )
# 把最後一條指令改成jmp指令跳轉到下一真實塊
parent_block = project.factory.block(parent)
last_instr = parent_block.capstone.insns[-1]
file_offset = last_instr.address - base_addr

patch_value = ins_b_jmp_hex_arm(last_instr.address, childs[0], 'b')
if project.arch.memory_endness == "Iend_BE":
   patch_value = patch_value[::-1]
patch_instruction(origin_data, file_offset, patch_value)      

針對産生分支的真實塊把MOVX指令改成相應的條件跳轉指令跳向符合條件的分支，例如moveq 改成beq ，再在這條之後添加b 指令跳向另一分支

instr = patch_instrs[parent]
# print("0x%x: %s \t%s\t%s" % (instr.insn.address,getByteStr(instr.insn.bytes), instr.insn.mnemonic, instr.insn.op_str))
file_offset = instr.insn.address - base_addr

parent_block = project.factory.block(parent)
fill_nop(origin_data, file_offset, parent_block.addr + parent_block.size - base_addr - file_offset, project.arch)

# patch the movx instruction to bx instruction
bx_cond = 'b' + instr.insn.mnemonic[len('mov'):]
patch_value = ins_b_jmp_hex_arm(instr.insn.address, childs[0], bx_cond)
if project.arch.memory_endness == 'Iend_BE':
    patch_value = patch_value[::-1]
patch_instruction(origin_data, file_offset, patch_value)

file_offset += 4
# patch the next instruction to b instrcution
patch_value = ins_b_jmp_hex_arm(instr.insn.address+4, childs[1], 'b')
if project.arch.memory_endness == 'Iend_BE':
    patch_value = patch_value[::-1]
patch_instruction(origin_data, file_offset, patch_value)      

最後用ida檢視修複之後的cfg

1:cfgex

可以看到CFG跟原來的大緻一樣，然後反編譯恢複出原始代碼

bool __fastcall check_password(_BYTE *a1)
{
  int v2; // [sp+18h] [bp-10h]
  int i; // [sp+1Ch] [bp-Ch]

  v2 = 0;
  for ( i = 0; a1[i]; ++i )
    v2 += (unsigned __int8)a1[i];
  return i == 4
      && v2 == 0x1A1
      && (signed int)(unsigned __int8)a1[3] > 'c'
      && (signed int)(unsigned __int8)a1[3] >= 'e'
      && *a1 == 'b'
      && ((unsigned __int8)a1[3] ^ 0xD) == (unsigned __int8)a1[1];
}      

三、總結

本文主要針對arm架構下Obfuscator-LLVM的控制流平坦化，重要的是采用unicorn模拟執行來确定真實塊的關系。

參考:

bbs.pediy.com/thread-2523…  ARM64 OLLVM反混淆[無名俠]