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如何逆向分析WebAssembly二进制代码

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最近，我们发表过一篇关于WebAssembly（Wasm）基本概念及其安全问题的文章。作为后续内容，本文将为读者介绍Wasm应用程序的逆向工程方法。当我们遇到一个未知源码的Wasm应用程序，并且想要弄清楚其内部机制的时候，该如何进行分析呢？关于这个主题，目前几乎找不到任何有用的文档，所以，我们决定抛砖引玉。

对于Wasm应用程序，我们可以使用不同的方式进行分析。在本文中，我们将通过一个非常简单的应用程序，来为读者详细介绍Chrome内置的Wasm调试功能。在此过程中，我们将因地制宜地引入一些相关概念。

对于急着了解相关技术内容的读者，如果按耐不住的话，可以先从附录部分获取HTML文件test.html，然后直接跳转到“调试示例应用程序”部分。

为什么要逆向分析Wasm呢？

我们为什么对分析Wasm应用程序如此饶有兴趣呢？在深入学习逆向分析的细节知识之前，让我们先来回答这个问题。

对于安全分析人员来说，我们最感兴趣的就是了解恶意软件作者是如何利用新兴技术的。每当出现新威胁时，例如新的勒索软件家族、物联网蠕虫或更不寻常的东西，安全研究人员都希望深入分析该恶意代码的所有功能。当我们知道了恶意软件是如何工作的，而且了解了它们的特性后，我们就可以编写签名来提供相应的安全保护了。

在分析传统恶意软件的时候，有许多分析工具可选，无论对于混淆过的JavaScript、恶意Flash对象、可移植可执行文件（PE）还是其他软件，都是如此。并且，在分析这些恶意软件的时候，总能找到一种行之有效的方法。

正如我们在本系列的第一篇文章中提到的，在安全分析工具与分析方法上面，Wasm的情况有所不同。关于如何分析Wasm应用程序方面，几乎没有任何文档可用，而且大多数常见的逆向工程工具，当前也不适用于Wasm。因此，我们才决心撰写本文，为读者深入揭示如何逆向分析Wasm二进制文件。

创建Wasm示例应用程序：“Hello World”

首先，让我们来创建一个简单的Wasm应用程序，以便稍后对其进行逆向分析。我们将在浏览器中运行该应用程序，并使用Chrome的开发人员工具对其进行逆向分析。

要在浏览器中运行Wasm应用程序，我们需要使用一个HTML文件来加载和执行Wasm二进制文件。下面，我们开始介绍如何创建这个HTML文件。（如前所述，完整的文件可以在附录中找到。）

首先，建立一个框架（我们将进一步对其进行修改），并将其保存到test.html文件：

<html>
<script>
  function test() {
  }
</script>
<body onLoad="test()">
</body>
</html>
 
为了便于配置并避免安装任何工具，我们这里使用名为WasmFiddler的在线Web应用程序来生成Wasm。在WasmFiddler中，输入以下内容：
 
void hello() {
  printf("Hello World\n");
}

然后点击“Build”按钮：

1.png

图1：使用WasmFiddler编译Wasm应用程序

在上图的右侧，我们可以看到一个名为utf8ToString()的函数。我们需要将该函数复制并粘贴到HTML页面的JavaScript部分，并将其放在test()函数的上方。

在截图的右侧，我们可以在函数utf8ToString()后面看到如下所示的几行JavaScript代码：

let m = new WebAssembly.Instance(new WebAssembly.Module(buffer));
let h = new Uint8Array(m.exports.memory.buffer);
let p = m.exports.hello();

复制这些代码，并将其粘贴到test()函数中。这些代码的作用，就是根据定义在buffer数组中的代码来实例化我们的Wasm，然后执行hello()函数。

那么我们如何定义这个缓冲区的内容（Wasm代码）呢？ 在WasmFiddler中，单击源代码下面的下拉菜单（图1中的“Text Format”），然后选择“Code Buffer”即可。

1.png

图2：在WasmFiddler中查看代码缓冲区。

这样，WasmFiddler就会生成二进制Wasm代码，并将其放入JavaScript缓冲区中。这时，我们会看到下列内容（有所删减）：

var wasmCode = new Uint8Array([0,97,115,109,1,0,0,0,...,108,100,0]);

注意：如果得到的只是一个空数组（“var wasmCode = new Uint8Array([null]);”），说明忘了先编译源代码。在这种情况下，可以点击Build按钮，然后重试。

复制这个缓冲区的内容，并将其粘贴到test()函数的开头部分。然后，将数组从wasmCode重命名为buffer，以便与WasmFiddler生成的其他代码的命名相匹配。

如果您读过本系列的第一篇文章的话，就知道Wasm应用程序本身无法将文本打印到屏幕上。所以，需要定义一个JavaScript函数，在我们的Wasm代码中调用printf()函数。在WasmFiddler中，选择下拉菜单中的Text Format选项，以查看编译后的Wasm应用程序的文本表示形式：

1.png

图4：puts()函数的Imports模板。

复制上面wasmImports的定义，并将其粘贴到test()函数的开头部分。然后，我们还需要将Imports的定义提供给Wasm的实例，具体如下所示：

var m = new WebAssembly.Instance(new WebAssembly.Module(buffer),wasmImports);

最后，让我们来定义puts()函数在被调用时应该做些什么。具体来说，就是将其改为下面的样子：

puts: function puts (index) {
  alert(utf8ToString(h, index));
}

现在，我们已经完成了构建演示程序所需的全部步骤。接下来，请在Chrome中加载test.html文件，这时会看到：

1.png

图5：Chrome中的通知。

我们可以看到，Wasm代码成功的调用了我们的外部函数。

注意：如果您没有看到弹出窗口，可能是您的浏览器不支持Wasm所致。在这种情况下，请尝试更新浏览器，因为目前所有主流浏览器的最新版本都支持Wasm。

调试示例应用程序

现在，我们终于可以通过Chrome开发者工具来调试示例应用程序了。

 

利用Chrome打开test.html文件后，启动Chrome开发人员工具（按F12键），并选择顶部的Sources选项卡。然后，按Ctrl+R组合键重新加载页面。现在，应该出现一个带有文字“wasm”的小云图标。接下来，请展开它及其下面的项目，选择wasm子树下的叶子项目，具体如下图所示：

1.png

图6：Chrome开发人员工具

让我们单步执行这个函数，以便更好的理解其功能。为此，请点击左边以“i32”开头的那行代码，为其设置断点。这时会显示一个蓝条，表明已设置好断点。接下来，按Ctrl+R组合键重新加载页面。现在，将在断点处停下来。这时候，Wasm堆栈是空的。然后，单击调试器中的Step Over按钮（或点击F10键或带有弯曲箭头的图标）以执行指令“i32.const 16”，该指令会将16的值压入堆栈：

1.png

图7：将值16压入堆栈。

Wasm中的所有函数都具有对应的编号，编号为0的函数对应于Wasm从JavaScript导入的puts函数（函数编号1对应于hello函数）。因此，下一条调用0的指令实际上就是调用printf/puts函数，并且堆栈中的值“16”是其参数。

那么，值“16”是如何与字符串“Hello World”对应起来的呢？ 实际上，该值是指向Wasm应用程序内存空间中的地址的指针。利用Chrome的调试器展开全局树，我们就可以查看Wasm应用程序的内存了：

1.png

图8：考察Wasm应用程序的内存。

下面让我们来看看内存中位置编号为16处的内容：

1.png

图9：Wasm应用程序内存中的“Hello World”。

运行状态下的Wasm应用程序的内存空间实际上是作为JavaScript数组实现的。该数组的定义位于负责加载Wasm应用程序的HTML文件中。在上面的例子中，变量“h”的定义如下所示；该变量用于保存应用程序的内存空间：

let h = new Uint8Array(m.exports.memory.buffer);

现在，请重新点击Step Over按钮来执行该调用。这样，就能看到相应的JavaScript警报了。

结束语

现在，我们已经对一个简单的Wasm程序成功地进行了逆向分析。虽然这个例子非常简单，但请不要忘记，千里之行始于足下。

在逆向过程中，我们是通过调用JavaScript声明的导入函数来了解Wasm是如何与外部环境进行交互的。此外，我们还介绍了如何在JavaScript和Wasm之间共享内存。

参考文献

WasmFiddle，在线编译Wasm: https://wasdk.github.io/WasmFiddle/?wvzhb

关于如何在浏览器调试器中调试Wasm的视频: https://www.youtube.com/watch?v=R1WtBkMeGds

在JavaScript和Wasm之间传递值: https://hacks.mozilla.org/2017/07/memory-in-webassembly-and-why-its-safer-than-you-think/

附录： test.html

为了便于参考，以下是我们创建并分析的整个test.html文件：

<html>
<script>
function utf8ToString(h, p) {
  let s = "";
  for (i = p; h[i]; i++) {
    s += String.fromCharCode(h[i]);
  }
  return s;
}
 
function test() {
  var wasmImports = {
    env: {
      puts: function puts (index) {
        alert(utf8ToString(h, index));
      }
    }
  };
  var buffer = new Uint8Array([0,97,115,109,1,0,0,0,1,137,128,128,128,0,2,
    96,1,127,1,127,96,0,0,2,140,128,128,128,0,1,3,101,110,118,4,112,117,
    116,115,0,0,3,130,128,128,128,0,1,1,4,132,128,128,128,0,1,112,0,0,5,
    131,128,128,128,0,1,0,1,6,129,128,128,128,0,0,7,146,128,128,128,0,2,6,
    109,101,109,111,114,121,2,0,5,104,101,108,108,111,0,1,10,141,128,128,
    128,0,1,135,128,128,128,0,0,65,16,16,0,26,11,11,146,128,128,128,0,1,0,
    65,16,11,12,72,101,108,108,111,32,87,111,114,108,100,0]);
  let m = new WebAssembly.Instance(new WebAssembly.Module(buffer),wasmImports);
  let h = new Uint8Array(m.exports.memory.buffer);
  m.exports.hello();
}
</script>
<body onLoad="test()">
</body>
</html>