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【技术分享】Lua程序逆向之Luac字节码与反汇编

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【技术分享】Lua程序逆向之Luac文件格式分析


简介


在了解完了Luac字节码文件的整体结构后,让我们把目光聚焦,放到更具体的指令格式上。Luac字节码指令是整个Luac最精华、也是最具有学习意义的一部分,了解它的格式与OpCode相关的知识后,对于逆向分析Luac,会有事半功倍的效果,同时,也为自己开发一款虚拟机执行模板与引擎打下良好的理论基础。

指令格式分析


Luac指令在Lua中使用Instruction来表示,是一个32位大小的数值。在Luac.bt中,我们将其定义了为Inst结构体,回顾一下它的定义与读取函数:

typedef struct(int pc) {
    local int pc_ = pc;
    local uchar inst_sz = get_inst_sz();
    if (inst_sz == 4) {
        uint32 inst;
    } else {
        Warning("Error size_Instruction.");
    }
} Inst <optimize=false>;

定义的每一条指令为uint32,这与ARM处理器等长的32位指令一样,但不同的是,Lua 5.2使用的指令只有40条,也就是说,要为其Luac编写反汇编引擎,比起ARM指令集,在工作量上要少出很多。

Luac指令完整由:OpCode、OpMode操作模式,以及不同模式下使用的不同的操作数组成。

官方5.2版本的Lua使用的指令有四种格式,使用OpMode表示,它的定义如下:

enum OpMode {iABC, iABx, iAsBx, iAx};

其中,i表示6位的OpCode;A表示一个8位的数据;B表示一个9位的数据,C表示一个9位的无符号数据;后面跟的x表示数据组合,如Bx表示B与C组合成18位的无符号数据,Ax表示A与B和C共同组成26位的无符号数据。sBx前的s表示是有符号数,即sBx是一个18位的有符号数。

ABC这些字节大小与起始位置的定义如下:

#define SIZE_C9
#define SIZE_B9
#define SIZE_Bx(SIZE_C + SIZE_B)
#define SIZE_A8
#define SIZE_Ax(SIZE_C + SIZE_B + SIZE_A)
#define SIZE_OP6
#define POS_OP0
#define POS_A(POS_OP + SIZE_OP)
#define POS_C(POS_A + SIZE_A)
#define POS_B(POS_C + SIZE_C)
#define POS_BxPOS_C
#define POS_AxPOS_A

从定义中可以看来,从位0开始,ABC的排列为A->C->B。

以小端序为例,完整的指令格式定义如下表所示:

http://p5.qhimg.com/t01fbd450cbd86abae5.png

先来看最低6位的OpCode,在Lua中,它使用枚举表示,5.2版本的Lua支持40条指令,它们的定义如下所示:

typedef enum {
/*----------------------------------------------------------------------
nameargsdescription
------------------------------------------------------------------------*/
OP_MOVE,/*A BR(A) := R(B)*/
OP_LOADK,/*A BxR(A) := Kst(Bx)*/
OP_LOADBOOL,/*A B CR(A) := (Bool)B; if (C) pc++*/
OP_LOADNIL,/*A BR(A) := ... := R(B) := nil*/
OP_GETUPVAL,/*A BR(A) := UpValue[B]*/
OP_GETGLOBAL,/*A BxR(A) := Gbl[Kst(Bx)]*/
OP_GETTABLE,/*A B CR(A) := R(B)[RK(C)]*/
OP_SETGLOBAL,/*A BxGbl[Kst(Bx)] := R(A)*/
OP_SETUPVAL,/*A BUpValue[B] := R(A)*/
OP_SETTABLE,/*A B CR(A)[RK(B)] := RK(C)*/
......
OP_CLOSE,/*A close all variables in the stack up to (>=) R(A)*/
OP_CLOSURE,/*A BxR(A) := closure(KPROTO[Bx], R(A), ... ,R(A+n))*/
OP_VARARG/*A BR(A), R(A+1), ..., R(A+B-1) = vararg*/
} OpCode;

OpCode定义的注释中,详细说明了每一条指令的格式、使用的参数,以及它的含义。以第一条OP_MOVE指令为例,它接受两个参数R(A)与R(B),的作用是完成一个赋值操作“R(A) := R(B)”

从指令的格式可以看出,尽管OpCode定义的注释中描述了每条指令使用的哪种OpMode,但32位的指令格式中,并没有指出到底每个OpCode对应哪一种OpMode,Lua的解决方法是单独做了一张OpMode的表格luaP_opmodes,它的定义如下:

LUAI_DDEF const lu_byte luaP_opmodes[NUM_OPCODES] = {
/*       T  A    B       C     mode   opcode*/
  opmode(0, 1, OpArgR, OpArgN, iABC)/* OP_MOVE */
 ,opmode(0, 1, OpArgK, OpArgN, iABx)/* OP_LOADK */
 ,opmode(0, 1, OpArgN, OpArgN, iABx)/* OP_LOADKX */
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgU, iABC)/* OP_LOADBOOL */
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgN, iABC)/* OP_LOADNIL */
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgN, iABC)/* OP_GETUPVAL */
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgK, iABC)/* OP_GETTABUP */
 ,opmode(0, 1, OpArgR, OpArgK, iABC)/* OP_GETTABLE */
 ,opmode(0, 0, OpArgK, OpArgK, iABC)/* OP_SETTABUP */
 ,opmode(0, 0, OpArgU, OpArgN, iABC)/* OP_SETUPVAL */
 ,opmode(0, 0, OpArgK, OpArgK, iABC)/* OP_SETTABLE */
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgU, iABC)/* OP_NEWTABLE */
 ,opmode(0, 1, OpArgR, OpArgK, iABC)/* OP_SELF */
 ,opmode(0, 1, OpArgK, OpArgK, iABC)/* OP_ADD */
 ,opmode(0, 1, OpArgK, OpArgK, iABC)/* OP_SUB */
 ......
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgN, iABx)/* OP_CLOSURE */
 ,opmode(0, 1, OpArgU, OpArgN, iABC)/* OP_VARARG */
 ,opmode(0, 0, OpArgU, OpArgU, iAx)/* OP_EXTRAARG */
};

构成完整的OpMode列表使用了opmode宏,它的定义如下:

#define opmode(t,a,b,c,m) (((t)<<7) | ((a)<<6) | ((b)<<4) | ((c)<<2) | (m))

它将OpMode相关的数据采用一字节表示,并将其组成划分为以下几个部分:

m位,占最低2位,即前面OpMode中定义的四种模式,通过它,可以确定OpCode的参数部分。

c位,占2~3位,使用OpArgMask表示,说明C参数的类型。定义如下:

enum OpArgMask {
    OpArgN,  /* 参数未被使用 */
    OpArgU,  /* 已使用参数 */
    OpArgR,  /* 参数是寄存器或跳转偏移 */
    OpArgK   /* 参数是常量或寄存器常量 */
};

b位,占4~5位。使用OpArgMask表示,说明B参数的类型。

a位,占位6。表示是否是寄存器操作。

t位,占位7。表示是否是测试操作。跳转和测试指令该位为1。

luaP_opmodes的值使用如下代码打印出来:

printf("opcode ver 5.2:\n");
for (int i=0; i<sizeof(luaP_opmodes); i++) {
    printf("0x%x, ", luaP_opmodes[i]);
}
printf("\n");

输出如下:

opcode ver 5.2:
0x60, 0x71, 0x41, 0x54, 0x50, 0x50, 0x5c, 0x6c, 0x3c, 0x10, 0x3c, 0x54, 0x6c, 0x7c, 0x7c, 0x7c, 0x7c, 0x7c, 0x7c, 0x60, 0x60, 0x60, 0x68, 0x22, 0xbc, 0xbc, 0xbc, 0x84, 0xe4, 0x54, 0x54, 0x10, 0x62, 0x62, 0x4, 0x62, 0x14, 0x51, 0x50, 0x17,

可以看到,有很多指令的OpMode是相同的,比如有多条指令对应的值都是0x7c,如果OpMode的顺序经过修改,要想通过OpMode直接还原所有的指令,是无法做到的,需要配合其他方式来还原,比如Lua虚拟机对指令的处理部分。

反汇编引擎实现


编写反汇编引擎需要做到以下几点:

正确的识别指令的OpCode。识别该条指令对应的OpCode,了解当前指令的作用。

处理指令的参数列表。解析不同指令使用到的参数信息,与OpCode在一起可以完成指令反汇编与指令的语义转换。

指令解析。反汇编引擎应该能够支持所有的指令。

指令语义转换。完成反汇编后,加入语义转换,更加方便了解指令的意图。

处理指令依赖关系。处理语义转换时,需要处理好指令之前的关系信息。

下面,我们一条条看如何实现。

OpCode获取

首先是通过指令获取对应的OpCode,即传入一个32位的指令值,返回一个OpCode的名称。Lua中有一个GET_OPCODE宏可以通过指令返回对应的OpCode,定义如下:

#define GET_OPCODE(i)
(cast(OpCode, ((i)>>POS_OP) & MASK1(SIZE_OP,0)))

这个宏在010 Editor模板语法中并不支持,因此,实现上,需要编写展开后的代码,并将其定义为函数。功能上就是取32位指令的最低6位,代码如下所示:

uchar GET_OPCODE(uint32 inst) {
    return ((inst)>>POS_OP) & ((~((~(Instruction)0)<<(SIZE_OP)))<<(0));
}

参数获取

取指令的参数,包括取指令的A、B、C、Bx、Ax、sBx等信息。前面已经介绍了它们在指令中的位偏移,因此,获取这些参数信息与获取OpCode一样,Lua中提供了GETARG_A、GETARG_B、GETARG_C、GETARG_Bx、GETARG_Ax、GETARG_sBx等宏来完成这些功能,定义如下:

#define GETARG_A(i)getarg(i, POS_A, SIZE_A)
#define GETARG_B(i)getarg(i, POS_B, SIZE_B)
#define GETARG_C(i)getarg(i, POS_C, SIZE_C)
#define GETARG_Bx(i)getarg(i, POS_Bx, SIZE_Bx)
#define GETARG_Ax(i)getarg(i, POS_Ax, SIZE_Ax)
#define GETARG_sBx(i)(GETARG_Bx(i)-MAXARG_sBx)

同样的,010 Editor模板语法不支持直接定义这些宏,需要编写展开后的代码,实现如下:

int GETARG_A(uint32 inst) {
    return ((inst)>>POS_A) & ((~((~(Instruction)0)<<(SIZE_A)))<<(0));
}
int GETARG_B(uint32 inst) {
    return ((inst)>>POS_B) & ((~((~(Instruction)0)<<(SIZE_B)))<<(0));
}
int GETARG_C(uint32 inst) {
    return ((inst)>>POS_C) & ((~((~(Instruction)0)<<(SIZE_C)))<<(0));
}
int GETARG_Bx(uint32 inst) {
    return ((inst)>>POS_Bx) & ((~((~(Instruction)0)<<(SIZE_Bx)))<<(0));
}
int GETARG_Ax(uint32 inst) {
    return ((inst)>>POS_Ax) & ((~((~(Instruction)0)<<(SIZE_Ax)))<<(0));
}
int GETARG_sBx(uint32 inst) {
    return GETARG_Bx(inst)-MAXARG_sBx;
}

指令解析

在指令解析的编写工作上,参考了luadec的反汇编引擎。它的实现主要位于luadec_disassemble()函数。这里要做的工作就是将它的所有代码与语法都进行一次010 Editor模板语法化。代码片断如下:

// luadec_disassemble() from luadec disassemble.c
string InstructionRead(Inst &inst) {
    local int i = inst.inst;
    OpCode o = (OpCode)GET_OPCODE(i);
    /*
    Printf("inst: 0x%x\n", o);
    */
    local int a = GETARG_A(i);
    local int b = GETARG_B(i);
    local int c = GETARG_C(i);
    local int bc = GETARG_Bx(i);
    local int sbc = GETARG_sBx(i);
    local int dest;
    local string line;
    local string lend;
    local string tmpconstant1;
    local string tmpconstant2;
    local string tmp;
    local string tmp2;
    local uchar lua_version_num = get_lua_version();
    local int pc = inst.pc_;

    //Printf("Inst: %s\n", EnumToString(o));
    switch (o) {
        case OP_MOVE:
			/*	A B	R(A) := R(B)					*/
			SPrintf(line,"R%d R%d",a,b);
			SPrintf(lend,"R%d := R%d",a,b);
			break;
        case OP_LOADK:  //FIXME OP_LOADK DecompileConstant
			/*	A Bx	R(A) := Kst(Bx)					*/
			SPrintf(line,"R%d K%d",a,bc);
            //Printf("OP_LOADK bc:%d\n", bc);
			tmpconstant1 = DecompileConstant(parentof(parentof(inst)),bc);
			SPrintf(lend,"R%d := %s",a,tmpconstant1);
			break;
        ......
        case OP_CLOSURE:
        {
			/*	A Bx	R(A) := closure(KPROTO[Bx])		*/
			SPrintf(line,"R%d %d",a,bc);
			SPrintf(lend, "R%d := closure(Function #%d)", a, bc);
			break;
        }
		default:
			break;

    }

    local string ss;
    SPrintf(ss, "[%d] %-9s %-13s; %s\n", pc, get_opcode_str(o),line,lend);

    return ss;
}

上面的代码中,通过GET_OPCODE获取OpCode后,分别对它进行判断与处理,参数信息在函数的最开始获取,方便指令中使用。pc表示当前执行的指令所在位置,方便代码中做语义转换与依赖处理。代码中这一行需要注意:

DecompileConstant(parentof(parentof(inst))

因为处理指令时,需要读取指令所在Proto的常量信息,但010 Editor尴尬的模板语法不支持传递指针,也不支持引用类型作为函数的返回值,这导致无法直接读到到Proto的Constants信息。幸好新版本的010 Editor的模板语法加入了self与parentof关键字,用于获取当前结构体与父结构体的字段信息,因此,这里需要对Proto结构体进行修改,让Code结构体成为它的内联的子结构体,如下所示:

typedef struct(string level) {
    local string level_ = level;
    //Printf("level:%s\n", level_);
    //header
    ProtoHeader header;
    //code
    //Code code;
    struct Code {
        uint32 sizecode <format=hex>;
        local uchar inst_sz = get_inst_sz();
        local int pc = 1;
        if (inst_sz == 4) {
            local uint32 sz = sizecode;
            while (sz-- > 0) {
                Inst inst(pc);
                pc++;
            }
        } else {
            Warning("Error size_Instruction.");
        }
        
        typedef struct(int pc) {
            local int pc_ = pc;
            local uchar inst_sz = get_inst_sz();
            if (inst_sz == 4) {
                uint32 inst;
            } else {
                Warning("Error size_Instruction.");
            }
        } Inst <read=InstructionRead, optimize=false>;
    
    } code <optimize=false>;
    ......
    // upvalue names
    UpValueNames names;
} Proto <read=ProtoRead>;

然后在代码中,通过parentof(parentof(inst)就能够返回一个Proto的引用类型,然后就可以愉快的读Proto中所有的字段数据了。

指令语义转换

所谓语义转换,就是将直接的指令格式表示成可以读懂的指令反汇编语句。如指令0x0000C1,反汇编后,它的指令表示为“LOADK R3 K0”,LOADK为OpCode的助记符,这里取助记符时,直接通过010 Editor模板函数EnumToString(),传入OpCode名,然后去掉前面的OP_就可以获得。使用get_opcode_str()实现该功能,代码如下:

string get_opcode_str(OpCode o) {
    string str = EnumToString(o);
    str = SubStr(str, 3);
    
    return str;
}

R3表示寄存器,K0表示常量1,即当前函数的Constants中索引为0的Constant。这一条指令经过语义转换后就变成了“R3 := xxx”,这个xxx是常量的值,需要通过DecompileConstant()获取它具体的值。

在进行语义转换时,将处理后的指令信息保存到line字符串中,将语义字符串转换到lend字符串中,处理完后输出时加在一起,中间放一个分号。如下所示是指令处理后的输出效果:

struct Inst inst[1]
[2] LOADK     R3 K0        ; R3 := 1

指令依赖处理

指令依赖是什么意思呢?即一条指令想要完整的了解它的语义,需要依赖它前面或后面的指令,就解析该指令时,需要用到指令前面或后面的数据。

拿OP_LE指令来说,它的注释部分如下:

/*
A B C
if ((RK(B) <= RK(C)) ~= A) then pc++  
*/

条件满足时,跳转去执行,否则pc向下,在编写反汇编引擎时,使用的代码片断如下:

case OP_LE:
    {
        /*A B Cif ((RK(B) <= RK(C)) ~= A) then pc++  */
        dest = GETARG_sBx(parentof(inst).inst[pc+1].inst) + pc + 2;
        SPrintf(line,"%d %c%d %c%d",a,CC(b),CV(b),CC(c),CV(c));
        tmpconstant1 = RK(parentof(parentof(inst)), b);
        tmpconstant2 = RK(parentof(parentof(inst)), c);
        SPrintf(lend,"if %s %s %s then goto [%d] else goto [%d]",tmpconstant1,(a?invopstr(o):opstr(o)),tmpconstant2,pc+2,dest);
        break;
    }

dest是要跳转的目标地址,GETARG_sBx()返回的是一个有符号的跳转偏移,因为指令是可以向前与向后进行跳转的,RK宏判断参数是寄存器还是常量,然后返回它的值,这里的实现如下:

string RegOrConst(Proto &f, int r) {
if (ISK(r)) {
return DecompileConstant(f, INDEXK(r));
} else {
string tmp;
SPrintf(tmp, "R%d", r);
return tmp;
}
}
//#define RK(r) (RegOrConst(f, r))
string RK(Proto &f, int r) {
    return (RegOrConst(f, r));
}

最终,OP_LE指令处理后输出如下:

struct Inst inst[35] [36] LE 0 R5 R6  ; if R5 <= R6 then goto [38] else goto [40]

其他所有的指令的处理可以参看luadec_disassemble()的代码,这里不再展开。

最后,所有的代码编写完成后,效果如图所示: 

http://p8.qhimg.com/t01e4cff7ab018685db.jpg

luac.bt的完整实现可以在这里找到:https://github.com/feicong/lua_re   。


本文地址:http://bobao.360.cn/learning/detail/4715.html

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