Linux系统软件加壳保护技术的改进设计 Windows, 系统软件, LINUX, 经典的, 嵌入式

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加壳是对软件内核一种很有效的保护方式。目前Linux系统下的加壳方法，多是直接继承Windows 程序的加壳理论和方法， 在传统加壳工具上进行了有限的扩展， 单纯在LINUX 系统下实现的加壳工具还是很少的。如何在Linux 系统下尽量减少内核信息的暴露，增加有难度的反逆向手段来提升破解难度，对加壳保护程序进行很好的隐藏，都是目前主要攻克的难题。
根据加载外壳程序方式的不同将现有软件加壳技术分为：嵌入式、附加式和包含式。嵌入式中最经典的是Upx，支持多种文件类型加壳，且压缩算法先进。但该方法缺少反动态跟踪功能，破解者可用动态跟踪调试方法对Upx 进行破解[1]。文献[2]中描述了附加式加壳（SELF 加壳）：在原elf 文件格式中添加处理安全操作的代码段，但不内置解压缩，容易暴漏壳的位置。包含式结合了压缩和保护两种类型的壳，但壳加载的过程中会改变入口地址。结合上述三种加壳方法的优缺点， 文章提出了在Linux 系统下一种改进的加壳保护方法—加壳并重构可执行文件———SRELF[3]。改进后的算法将壳程序和目标可执行文件中代码段， 数据段等关键部分相结合，引入多态变形技术，使程序呈现出多态性，提高了壳程序的反破解能力，同时还很好的隐藏了加壳的信息。通过实验证明， 改进后的方法解决了加壳中入口地址易被改变的问题，使得加壳的程序以多态的形式出现，很大程度上提高了反破解的难度。

1 加壳原理

加壳实质上就是把一段特殊程序附加到应用程序中，并把程序的执行入口指向附加的特殊壳程序。壳的加载过程如图1 所示， 首先壳程序需要获得应用程序编程接口———即API 地址。在加壳程序的代码中用显示链接方式动态的加载所需的API 地址。通过壳程序后，对各个区块的数据按照定义进行解密；若加壳时用到了压缩技术，那么在解密之前先要进行解压缩，然后将解压文件映像到指定内存地址中。修改原程序文件的输入表后填充HOOK—API 表中的代码地址，间接的获得程序的控制权，进行校验和测试完后跳转到原入口点（OEP）[3]。

现有的软件加壳技术方法大多都改变了原有文件结构，在重定位的过程中改变程序的入口地址，加载的过程中把部分程序映射到地址空间中，若破解者知道如何在一个加壳程序中寻址，那么当文件被加载进内存时就可以找到加壳程序的信息。文章针对上述问题， 提出了一种改进的加壳方法SRELF。
2 SRELF 加壳方法
2.1 SRELF 方法原理
SRELF———加壳并重构可执行文件，最大特点是重构变形使得重构的程序呈现多态性。首先将目标elf 文件中的核心部分提取出来，然后与准备好的解密或解压缩程序，反静态分析和反动态跟踪程序结合在一起，让加壳程序呈现出多态变形性，最后遍历整合程序，按照elf 文件标准格式重新构造一个全新的elf 可执行文件。
2.2 SRELF 方法实现
如图2 所示：SRELF 加壳方法实现的基本程序框图。首先了解应用程序二进制接口文件（即扩展名为elf 文件）结构。图3 所示为标准elf 文件的结构图。从图中可以看到：一个ELF 头在文件的开始，保存了路线图描述了文件组织情况。随后是一些段（segments）或者一些区段（sections）。段中包含文件运行所需的信息， 而保存着object 文件的信息，用于链接和重定位。

第一步：提取目标文件中的核心部分
提取核心部分的可执行指令、动态链接表、段或节等信息。由于汇编程序中存在间接跳转使得反汇编生成控制流图中断，影响了提取核心代码的准确性，这里引入了一种间接跳转程序方式[4]。

1）从壳运行到原始程序的OEP 进行单步向下跟踪，遇到抛出异常后，修改溢出标志；

2）分析操作数的类型。若是直接寻址类型，进入4）；否则进入3）；

3）找到定义的语句或函数入口，设置CREAT_SUSPENDED计数器，若计数器加一，则将宿主进程作为一个挂起的子进程打开，调用GetThreadContext（）获取子进程初始化线程的上下文；

4）判断后的程序进行输入锁定，在语句序列上模拟执定义位置与目标间接跳转运算，对获取寄存器内容进行复制。使用间接跳转语句获取elf 头文件中的信息后， 定位到GetElfCore 的头表，然后定位到所需代码段的核心位置，将其中的数据复制出来。
第二步：对提取的核心代码加密并结合多态变形技术
采用进程注入加密技术，逆向阻止脱壳软件附加在受保护的进程上。先让CONTEXT.EBX 获取子进程的PEB 地址，读出PEB 子进程的映像地址后，将基础地址参数指向检索到的映像基址，最终完成对各种外部中断的监视工作。对加密后的核心代码进多态变形技术改进，让其改变自身代码，从而使搜索字符串的识别技术失去效果。文章采用的代码变换加密压缩来隐藏自身，为了防止搜索字符串的方法检测到，解密代码引动代码模块，程序将其插入其本身，调用代码模块中包含的函数，移动例程周围的指令，随机增加无用的指令，使用不同的寄存器和操作码，使得解密例程对应的二进制代码在不同的感染体内完全不一样[5]。多态变形引擎过程如图4 所示。


第三步：将目标文件的核心部分和加壳部分整合
整合目标文件的核心部分和加壳部分需要进行精确的计算，设置正确的elf 文件头、程序头表、节头表等的数据。这样新生成的elf 文件才能正常运行。在整合elf 等数据时采用遍历整合的方法，对前面提取的的核心代码块逐一进行分析。采用循环回绕整合加壳后的核心代码。
1）先设立一个状态表，记录每个变量的状态类型。记录物理文件的大小和载入内存所占内存的大小。首先执行函数的初始状态， 将除去入口函数的所有函数都设置为untainted。若一个变量在多个正向前序代码段的状态表中出现，则重新计算其大小，并更新状态表。
2）内部执行:按照顺序逐一执行其内部的指令，更改变量的状态表， 将目标文件核心部分内容续写到加壳部分的后面，当执行到段中最后一步时形成输出状态表。同时检验程序变形状态的安全性，传递接口函数参数[6]。
3）循环回绕整合部分:在核心代码全部执行完毕时，检查其后继代码段中是否有包含变形的循环头。如果存在，则该代码块是满足条件的最外层的循环头， 将程序头表中属性、大小的参数设置成新计算值，并检查其输入、输出状态表中是否有变量的类型状态发生变化，如果存在，则重新开始回绕执行，直到状态表停止更新。
3 相关算法性能对比
表1 给出了新的加壳算法SRELF 与ASProtect 算法、tElock 算法、Armadillo 算法的比较，表2 给出相关符号定义。


1）安全性提升
由于SRELF 采用的是二进制代码进行加密或压缩，并且没有对加壳功能程序大小进行限制，所以在代码中可以插入足够的花指令[7]。再加上高复杂度的加密变形压缩算法，保证了加壳程序的高安全性。此外变形重构了elf 文件， elf 文件中的内容全部改变，对表头文件进行静态分析脱壳又增加了难度。而且在SRELF 中加入了充分的反动态跟踪指令，防止被保护文件被动态跟踪。通过上几方面安全性分析，可以证明加壳后的elf 文件安全性得到了大幅度提高。
2）运算量降低
3）伪装性增强
加壳后的elf 文件结构并未改变， 而且SRELF 加壳方法不需要改变程序入口地址，很好的隐藏了壳程序。
4）扩展性提升
由于SRELF 方法从理论上没有对壳程序大小进行限制，使其具备了很好的扩展性。因此后期可以同步更新SRELF 中的加密方法，反静态分析方法，反动态跟踪方法，对其进行完善和坚固。
综上所述SRELF 克服了现有加壳方法中所暴露出来的问题， 解决了改变elf 文件结构和改变程序入口地址的重大缺陷，让加壳后的程序呈现出多态变形性，在反脱壳中增加了难度。因此，SRELF 方法是一个既具有很高的安全性同时具备良好的可行性的加壳方法。
4 结束语
文中研究了现有加壳软件在反破解中存在的普遍难题———出现完全不符合所有已知模式的新型安全缺陷[8]，总结出现有加壳方式的不足，针对不足问题提出了一种改进的加壳方法———重构变形SRELF 加壳算法。软件加壳对重点代码进行加密、变形、反静态分析和反动态跟踪相结合，同时具备较为精简的运算量，提高加密部分的反破解能力。文中只考虑了加壳过程中引入程序变形性，使其不易被脱壳软件脱掉，下一步工作将解决在加壳过程中程序压缩的问题。此外，还会将改进的方法进一步应用到Linux 系统软件中。