安全的本质永远绕不开“对抗”这个主题，基于对日常攻防对抗的思考和作为研究员不断探索的天性。
2021看雪第五届安全开发者峰会上，字节跳动无恒实验室云安全专家蒋浩天带来了《基于Qemu/kvm硬件加速的下一代安全对抗平台》的议题，虚拟化等技术带给传统攻防全新的思考维度，让我们看到了站在上帝模式下的降维打击。随着后续行为监控和武器库的完善，相信此工具可以帮广大安全人员解决安全对抗的疑难杂症。
下面就让我们来回顾下《基于Qemu/kvm硬件加速的下一代安全对抗平台》的精彩内容。
议题分为6个部分，分别是：
- 安全对抗思考
- 虚拟化技术
- Ark工具设计思路
- 调试器设计思路
- 平台介绍（KVM-Based security platform）
- 后续展望
01 安全对抗思考
首先，先来说一下：安全对抗思考。我们在安全对抗中会经常遇到那些棘手的问题呢？
由于很多黑产模块商业化。导致对抗异常激烈，商业化模块具备各种对抗功能，当恶意样本，黑产工具集成了商业化模块后，会具备很强的对抗能力，例如说：
1、反调试，公开插件已经无法绕过。
2、反沙箱，反ark工具，一旦检测到沙箱环境，行为监控工具，ark工具等常用的安全工具，样本停止工作。
3、机器封禁，当它检测到你在分析它，将会进行机器封禁，导致此机器无法运行此样本。
4、样本很紧急，老板让你今晚出报告。
目前来说，业界有哪些优秀的解决方案？
第一个解决方案，也是目前比较流行的解决方案，就是模拟执行，例如unicorn。模拟执行具备一定的优势，例如它可以模拟执行一段shellcode且是轻量级的。也有一些劣势，例如需要模拟一个可以执行的环境，这个环境想要模拟非常全面，工程量也是很大的。它的致命缺点是效率比较低，且环境模拟不全。无法模拟D3D，一些依赖于D3D的软件无法正常工作运行。例如说：游戏无法运行，游戏外挂就不能正常工作，你就无法分析它。
第二个比较主流的解决方案就是硬件调试器，此方案优点比较多：效率高，支持d3d。劣势是：第一，需要额外购买硬件并且价格比较高；第二，携带不方便，不方便给小伙伴展示高端调试技巧；第三，对于用户态环境识别不是非常好。
这两种解决方案为什么比较好用？
当前的这些问题，其实我综合分析一下，站在我的角度来看：windbg依赖于windows的调试子系统，gdb依赖unix的ptrace，所以就会存在很多可检测特征。
我理解来说：硬件调试器和模拟执行这两类工具抽象一点来看，更像一个站在CPU内部的工具，可以精准的控制每一行指令的执行，监控或修改指令执行结果。它不依赖于系统的调试机制，所以很多反调试方法对其无效。
通俗一点说：站在了一个至高点，实现了降维打击。
我们继续思考：模拟执行这项技术最开始用于虚拟机，来虚拟一个操作系统，虚拟机本身具备模拟执行的能力。
Unicorn和虚拟机有什么关联？经过查阅资料，unicorn的代码大部分是移植的QEMU中的代码。由于虚拟机模拟执行操作系统时，性能非常低，所以模拟执行逐渐被抛弃。硬件虚拟化成为了主流。启用硬件虚拟化的虚拟机，不再需要模拟执行了，效率得到了非常大的提升。
虚拟机一般都具备一个virtualJTAG接口，这个接口在模拟执行和硬件虚拟化两种模式中，实现原理不同。VirtualJTAG接口不能区分进程上下文，不能调试用户态程序，而且不能识别windows内核。
这时突发奇想，我们是否可以基于虚拟化来开发一套类似的工具？
是否可以对虚拟机进行二次开发，开发一个支持windows系统，支持用户态和内核态的调试器呢？并且将各种安全工具，ark工具，调试，都集成到一起，形成平台化。
这样，我们也是站在了一个制高点，形成一个降维打击。以后做安全对抗就非常方便了。我们的目标是：将安全工具运行在物理机，对虚拟机进行控制。在开发之前，就可以想到一些优略势，首先说优势：
1、不依赖于操作系统机制。例如调试机制。
2、不需要在虚拟机中安装模块，安全工具无法被检测。
3、直接在物理机对虚拟机进行环境扫描，权限更高且不会被检测。
4、可以监控虚拟机中敏感内存的读写执行。
但同时也会存在一些劣势：1、数据解析工作量大，适配繁琐。2、不能调用 api。一些常规操作变得异常复杂，例如锁，同步。
02虚拟化技术
接下来介绍一下虚拟化技术，先来介绍几个名词：对应的翻译在后面都列出来了，大家可以先看一下，因为后续讲解过程中可能会用到。
由于模拟执行，性能非常低，随着技术的发展，硬件虚拟化成为了主流。所以我们需要看一下硬件虚拟化的原理：
如图我们调用vmxon指令后，cpu进入虚拟化模式。分别为guest模式和host模式。通过VMExit和VMEntry事件来进行驱动。
例如说执行VMLAUNCH指令后，此时就会有一个VMEntry事件，虚拟机从host模式，进入到guest模式，此时虚拟机就开始执行了。
当虚拟机运行过程中，遇到了一些特殊事件比方说执行了in out 指令，就会产生一个VMExit 事件，此时CPU将会从guest模式切换到host模式。
在host模式下，对in out指令进行虚拟化处理。处理完成之后，在返回到guest，让虚拟机继续执行。
接下来需要介绍qemu kvm的架构图：
首先最底层，是硬件层，例如说CPU,GPU， 内存，磁盘，网卡等硬件设备。再硬件层之上，是linux内核层，例如说vmlinux，设备驱动，kvm等，其中kvm就处于这一层。再上一层，就是linux用户层，在这一层，运行了很多linux程序，服务，守护进程等相关的东西。Qemu就处于这一层，qemu以一个进程的形式存在。
Qemu基于kvm开启硬件虚拟化。所以说图中的两个qemu虚拟机都运行在kvm之上。在qemu虚拟机内部，运行着虚拟机的操作系统，分为虚拟机的内核层，和虚拟机的用户层。
根据上面的架构图得知，虚拟机是运行在qemu进程的上下文的。那么qemu进程，是否包含虚拟机的内存数据呢？
我们在创建虚拟机时，需要设置虚拟机内存的大小。虚拟机在启动时，首先要为虚拟机申请物理内存，代码如下。
通过此代码反映出一个问题。虚拟机的内存，其实就是对应这个mmap的内存，在qemu进程的上下文中。大家可以从代码中看到，这个mmap函数的调用。
如上图可以看到，虚拟机启动后，用户态会存在一个qemu的进程。我们的问题是：如何对这块内存进行识别，解析出虚拟机中操作系统的数据？想要完成这项工作，我们必须要完全了解虚拟机中是如何实现内存的虚拟化的。
我们先看一下虚拟化模式和非虚拟化模式的内存地址翻译流程区别：
对比发现，多了一层地址翻译，需要把虚拟机中的物理地址，再次进行翻译，翻译成物理机的物理地址。也就是GPA 翻译成HPA。
我们首先需要简单回顾一下X86架构下内存翻译流程：
逻辑地址到线性地址的翻译，我们在保护模式下，地址访问都是段寄存器加逻辑地址来进行访问的。
例如说，TI位为0。我们需要在gdt中寻址。根据段寄存器的index字段，来访问gdt表。找到对应的项，例如说，cs段寄存器的index 为2，对应GDT的第3项，获取到对应的段描述符之后，P位为1表示有效。
判断段描述符的DPL和段寄存器的RPL是否满足一系列的权限检查。如果检查全部通过。将得到段对应的base。大家可以看到，这些段的base都是0。拿到段的base之后，用base 加上逻辑地址偏移，既可以计算出对应的线性地址。
接下来我们说一下从线性地址到物理地址的转换，线性地址到物理地址的转换需要通过页表来完成。由这张图，我们可以找到每一级索引的位置：
先说一下4K页面的转换，CR3寄存器是页表寄存器。存放了页表的首地址，首先需要对线性地址进行拆分，把每一级的索引都划分出来，偏移也要划分出来。最高级索引，索引CR3指向的目录，拿到对应的项之后，这里面存放的也是一个物理地址。然后用第二级索引进行索引，以此类推，直到索引完成，最后拿索引到的物理地址，加上offset，即可完成线性地址到物理地址的转换。
接下来看一下2M页面的转换，他跟4K页面的转换基本原理一致，只是说索引级别少了。Offset变长了。
再看一下从GPA到HPA的翻译过程，先将GPA 进行拆分，划分好每一级的索引，和offset。根据eptp指向的页表，进行一级一级的索引，跟前面的页表翻译原理类似。
接着看一下虚拟机的内存虚拟化实现的整体架构，如图：
1、在虚拟机中，GVA先通过页表，翻译成GPA。
2、通过EPT，将GPA翻译成HPA.
Host模式下：1、在宿主机中，HVA通过宿主机的页表翻译成HPA。2、Qemu通过memory slot机制，管理这个GPA 到HPA的映射。
如图，黄色的方块，就代表虚拟机的一块内存，这块内存在guest中，访问对应的GVA可以访问到。同时，在host中，访问对应的HVA也可以访问到，因为都是对应的同一块物理内存。
前面我们介绍了X86架构下的地址翻译过程，我们还需要了解一下qemu是如何管理内存的。
由于qemu在启动时，mmap了一块内存，这块内存用于虚拟机的物理内存。由于内存的惰性分配，和效率优化，虚拟机需要对他进行管理。
Qemu有两种内存管理方式，第一种是树形管理，具备一个更好的管理视图。第二种是平坦类型管理，用于和kvm交互。
我们先说一下树形管理：Qemu的内存，最顶端是一个address space 结构体，不同类型的内存由不同的address space来表示。所有的address space通过链表，连接在一起。
在address space结构体内部，有一个root字段，指向一个memory region结构体，这个字段是内存树的根节点。
Memoryregion下面会有子节点，有一些子节点的ram_block是为空的，他表示一个别名的引用。其中alias offset 就是指向引用的memory region对应的这个虚拟机物理内存的偏移。有一些memory region的ram_block是有值的，如果不为空，里面会有一个host字段，这里指向的是虚拟机物理内存对应的hva。
虽然说qemu对虚拟机的内存有自己的管理体系。但是想要实现内存虚拟化，必须按照cpu的规则来进行ept映射。才能够生效。所以qemu还有一套平坦内存管理视图，用于和kvm进行交互。实现基于硬件的内存虚拟化。
如图所示，每一个memory region经过generatememory topology函数调用后，都会生成一个Flatview结构体，这个结构体会插入到一个flat_views的一个hashmap中，方便下次快速查找。
这个FlatView内部，存在一个ranges字段，这个字段是一个指针，指向Flat range的数组。每一个flat range 结构体管理着一块虚拟机的物理内存，标志着kvm中EPT如何对虚拟机物理内存进行虚拟化。
例如说flat range里有一个addr字段，Addr是一个addrrange 类型，里面包含一个start，和size。这里面的start存放的是一个gpa。Qemu通过调用kvm的接口来完成ept映射。kvm会根据调用参数，和上述的X86架构的规则来完成ept的映射。建立GPA和HPA的映射关系。从而实现了内存的虚拟化。到目前位置，qemukvm的内存虚拟化，我们大概介绍完成。
03 ark工具设计
有了前面的知识体系，我们想实现ark的功能，已经有了一些希望。我们就有了初步的想法。虚拟机中的物理内存是qemu启动中mmap出来的一块内存。所以我们读写这块内存，其实就是在读写虚拟机的物理内存。
所以第一步，我们要先完成HVP ßà GPA转换。我们可以加载一个内核模块，从而获取到EPT的页表。拿到页表后，我们就可以将GPA翻译成HPA。然后再从HPA转换成HVA。
但是这样有一个缺点，想要从HPA 翻译成GPA 就比较麻烦了，需要遍历ept的表，效率非常低。
KVM为了完成这个GPA到HVA的互相翻译，实现了一个remap机制。我们通过解析kvm的remap 可以完成这个步骤，也可以通过qemu的两种内存管理模型来完成这项工作。
我们完成了上述功能后，我们就具备了读取任意GPA的能力了。但是现在的操作系统都是分页的，就跟前面所讲述的一样，通过页表进行了映射。
所以说我们具备了GPA的任意地址读写能力还是不够的。我们还需要能够读取任意地址GVA才行。我们要想具备GVA的读写能力，我们就需要一个页表。有了页表，我们才能够自己翻译内存，找到GVA和GPA的对应关系。
现在的操作系统，每一个进程的用户态内存都是隔离的。内核态的内存是相同的。每一个进程都有一个独立的的页表，存放在进程控制块中。所以说我们要想能够读取任意进程的任意GVA，我们就需要先拿到所有进程的页表。但是我们想要拿到所有进程的页表，我们就需要拿到所有进程控制块信息。
由于进程控制块是存放在内核地址空间的，进程的内核态地址空间都是相同的，所以说，我们只要拿到任意一个进程的cr3，即可通过解析页表，来实现一个读写内核GVA的能力。有了这个能力，我们才能进行下一步操作。
问题来了，我们如何获得虚拟机中任意进程的cr3寄存器？
我们如何获取一个cr3寄存器的值呢？我们这里尝试了几种方法：
1、通过vmread指令，读取vmcs中的guest cr3。
2、通过对vmexit handler进行hook。
3、Kvm运行时，会把cr3 保存在某个位置。
如图，只要设置kvm_valid_regs的值， kvm在运行过程中就会自动把所有寄存器保存下来。经过调试发现，默认情况下，这个字段为0。所以我们需要自己将他置为1，之后我们就可以去读到cr3寄存器了。
有了cr3之后，我们自己写一套页表翻译的代码，将GVA转换成GPA。我们就可以具备读写内核地址空间GVA能力了。我们需要适配各个模式，例如32位模式，PAE模式，64位模式，4k页面模式，2M页面，1G页面等多种情况。
现在，我们只具备了读写内核地址空间任意GVA，但是我们还不能读写任意进程用户态的任意内存。
如前面所述，每一个进程都拥有一个自己的页表。而这个页表存放在进程控制块中。而进程控制块在内核地址空间中。
所以接下来我们应该找到所有的进程控制块。进程控制块由操作系统内核进行管理，例如说windows平台下，在ntoskrnl模块中，我们可以通过解析PspCidTable， PsActiveProcessHead等来识别出所有的进程控制块。
但是我们目前无法知道这些数据结构所在的地址。所以我们当务之急，我们需要找到ntoskrnl模块的首地址在哪里？
如何找到它，其实方法很多，可以通过IDT中的中断向量的handler来进行定位，或者msr寄存器等等诸多方法。
例如说：我们首先在物理机读取到虚拟机的IDT表。获取异常向量的handler。我们知道，异常向量的handler，肯定是位于ntoskrnl模块中。
第一种方法采用暴力搜索，向上搜做mz文件头，肯定能搜到。还是不够优雅。
第二种方法采用符号解析，我们通过解析内核符号，来获取handler在模块中的位置，Ntoskrnl首地址 =handler 地址 – 偏移；这样我们就能够获取到内核模块首地址了。
我们既然要用到符号信息，那么我们就得具备解析符号的能力。我们的代码运行在linux平台，我们如何解决符号解析的问题？
对于linux虚拟机，我们解析elf文件的debug info信息，这里面是一个dwarf结构，开源，第三方库比较多。所以很好解决。
但是windows pdb符号如何解析呢。我们知道在windows平台下解析pdb，调用com接口即可，非常简单。但是我们运行在linux平台上，是无法调用windows提供的api的。
微软最近几年公开了pdb相关的格式和代码。但是非常复杂，如果我们自己去解析，将耗费非常多的时间。于是我们想到了其他方法：
1、硬编码？放弃，维护很困难。
2、Llvmpdbutil，解析成功，但是对于win10 的符号信息解析崩溃，不知道现在llvm有没有修复这个问题。
3、Wine？我们最终采用了wine的方式，开发一个windows平台的符号解析程序，然后运行在wine环境下，来完成pdb解析。
这样，我们就解决了符号解析的问题。
我们现在具备了符号解析的能力，知道内核模块的首地址，并且具备对内核地址空间任意地址读写的能力。我们就可以基于这些能力实现一个ark的工具，例如说：
解析PspCidTable，PsActiveProcessHead读取所有的进程信息；解析PsLoadedModuleList读取所有的内核模块信息等等，方法非常多，可以实现的功能也非常多，而且老前辈写过很多文章，这里就不一一讲解了。
当我们解析出所有的进程控制块的时候，我们就可以拿到进程对应的页表。通过解析进程对应的页表，我们就具备读写任意进程任意空间GVA的能力了。
此时有一个潜在的问题，由于内存分页的机制问题，会把不常用的内存交换到磁盘上。
这种情况我们就无法读取这块内存了，这个问题我们后续进行讲解。
经过我们不懈努力，我们已经具备一个ark初级的功能，例如：可以读取到虚拟机中的所有进程；每一个进程中，加载的模块信息；可以读取到虚拟机中所有的内核模块等等。这些都是调试器不可缺少的能力。
04 调试器设计
接下来我们介绍一下调试器的设计。
传统的虚拟机，在未开启硬件虚拟化加速时，采用的模拟执行。实现一个调试接口比较简单。采用了硬件虚拟化后，虚拟机不再需要模拟执行，具备了更高的性能。
虚拟机本身提供了一个virtual JTAG调试接口。只是在模拟执行和硬件虚拟化两种模式下原理不同。并且不支持windows虚拟机，不能区分用户态和内核态。
如果我们对virtual JTAG调试接口进行改造，二次开发。我们是否可以能实现windows 内核态，用户态调试呢？
我们首先需要深入分析一下virtual JTAG的实现原理。我们以软件断点为例，会调用kvmarch insert sw breakpoint 函数来插入一个断点，我们看这个代码实现，我们发现，就是保存了原来的位置的字节码，然后替换成了cc。
把内存改写成一个0xcc，就能实现断点功能？看似平平无奇，其实在kvm_update_guest_debug中存在着奥秘。
我们首先得介绍一下intel硬件虚拟化中的一个特性，exception bitmat特性。
他是一个32位的字段，每一位对应一个异常。当对应的位为1时，虚拟机中，产生对应的异常，就会产生vmexit事件。从而host可以进行捕获，并进行虚拟化。
kvm_update_guest_debug 函数，看名字就可以猜到，会和kvm进行交互。我们分析到最后，到最关键的位置，发现：最终通过一个vmcs_write32函数，更新了vmcs的ExceptionBitmap，使得vcpu对guest中int3 异常具备拦截能力。
虚拟机中执行代码，如果遇到int3指令，会产生vmexit，进入host模式，首先由宿主机接管，宿主机将int3指令封装成一个事件，投递给qemu中内置的gdbserver来处理。
接着我们整体梳理一下virtualJTAG流程：
1、Vcpu遇到int 3，会产生异常，如果exception bitmap中第四位为1，则产生vmexit事件，并切换到host模式。
2、执行kvm中注册的vmexit handler。
3、Handler将此次的这个vmexit的事件封装成一个结构体，投递给qemu。4、Qemu把此事件交给内置的gdb server。
5、Gdb server 会和gdb client进行交互。
6、Gdb server 收到请求后，返回到vmexit handler中。
7、Vmexit handler中调用vmresume指令，产生vmentry事件，虚拟机恢复执行。
这个virtual jtag方案大概是这个原理。
我们通过分析发现，virtualJTAG之所以不能调试用户态内存，不支持windows，根本原因在于这个gdbserver不能识别windows 的结构体，
无法解析虚拟机中的所有进程，所有模块等等系统信息。
所以我们要做的事情，就是帮它来完成这个功能。于是我们就有了实现一个基于virtualJTAG的调试接口的思路的。
我们通过我们自己的ark，来识别所有的进程，进程中所有的模块。我们的ark，具备对虚拟机任意进程，任意内存的读写能力，我们对想调试的位置，把内存改写成int3。通过ExceptionBitmap 的能力，拦截int3异常。后续的处理流程交给qemu内置的gdbserver。
我们对内置的gdb server进行了修改，来完成了这个功能。有个问题是：是否可以采用硬件断点？其实采用硬件断点也是可以的，我们需要在kvm中对dr寄存器操作进行拦截，由于精力有限，所以并未实现。
其实不止如此，还有非常多的细节问题，例如说：
我们采用软件断点的方法，最终还是改写了内存，容易被检测到，怎么办？
用户态的内存，可能会被交换到磁盘，如何解决？
对于系统动态库，copy_on_write 如何解决？
Cpu 缓存问题？等等
我们需要把重点放在第一个问题上。用调试器下断点时还是把内存改写成了int 3，如何才能不被检测到？
我们要做的一件事情就是隐藏int3断点。保证不被检测。
通过ept特性，对虚拟机的内存进行hook，来欺骗虚拟机，使其无法感知到内存被修改。
如图所示，左边这部分时正常状态下的内存翻译流程，和权限，例如说，GPAàHPA的翻译，此页面具备读写执行三个权限。
右边这部分时我们hook之后的状态。我们对原始内存页面进行复制，将权限进行拆分，分为读写权限对应原始内存，和执行权限对应复制的内存，对复制的内存改写int3。
当guest 进程读写这块内存的时，读取到的是原始页面。当guest 进程执行这块内存的时候，将翻译成另一个已修改的另一个页面，执行的是修改成int 3的内存页面。
通过此方法，我们欺骗进程，让其无法检测到我们修改了内存。
我们通过eptMTF 等特性，进行了一些其他功能的扩展，例如说指令trace，内存读写监控。
05 平台介绍（KVM-Based security platform）
通过上述介绍，我们的安全对抗平台，大概原理想必大家都已经理解。
现在我们介绍一下我们安全对抗平台的整体架构：
1、首先我们具备一个linux内核模块，用于patchkvm，读写kvm中的关键数据，hookkvm 的关键函数。
2、我们需要对qemu进行二次编译，将我们自己实现的调试相关的代码移植到qemu去。使其具备调试能力。
3、Manager模块，分为几个子模块。虚拟机管理功能；符号解析功能，支持windows，支持linux；鼠标键盘模拟功能，虚拟机屏幕图片查找功能；Hypervisorsdk，用于和内核模块，qemu调试模块交互。
5、Python引擎，用于将目前的大部分功能通过python接口的形式导出，降低开发门槛。方便安全人员参与开发
6、还开发了一个简易的ui。
Python插件，来实现一些强力的功能，例如antirootkit，武器库，调试器等功能。
这是我们目前导出的部分python接口。例如说，获取所有进程，获取所有内核模块。获取符号信息。读写GPA，读写GVA，EPT hook， 内存读写执行监控等。
开发者，知道内核模块地址，进程控制块信息，然后通过解析符号的方法，可以轻松的开发其他的功能。
例如上面代码，大家可以通过非常简单的几行代码，就可以获取到虚拟机中的所有进程，所有内核模块等信息。
只需要在python中，importhypervisor_engine，即可。
接下来是视频演示：通过视频可以观察，我们的工具在运行过程中，不会出现虚拟机卡顿情况，而且不需要在虚拟机安装任何程序。
如果采用传统方法，对working set 进行对抗，比较麻烦。通过我们平台提供的能力，几行代码就可以搞定。
如图，非常简单，我们直接定位到内核的PsWatchEnabled，直接进行修改，关闭working set的信息收集。
调试能力展示，大家可以看到，我们在linux宿主机，直接调试虚拟机中的进程。
右边是被调试程序的ida截图，大家可以看一下汇编指令，和地址。左边是在物理机通过gdb，调试虚拟机中的这个demo程序。可以观察，汇编指令，和地址都是对应的。
调试能力展示，大家可以看到，我们在linux宿主机，直接调试虚拟机中的进程。
06 后续展望
1、武器库完善，后续希望把 ark 中的常用功能全部移植，实现一个完整的 ark。
2、通过 hook 虚拟机内核，完善行为监控工具，将沙箱检测能力放在host中。
3、后续尝试支持 arm 架构，通过 arm 服务器，运行安卓系统，完成对安卓系统的支持。
4、希望此工具可以帮广大安全人员解决安全对抗的疑难杂症
谢谢大家！
关于无恒实验室：
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