Exploring the x64
村上 純一
執行役員 先端技術研究部長
(株)フォティーンフォティ技術研究所
自己紹介
• 村上 純一
– (株)フォティーンフォティ技術研究所
– カーネルモードでのWindows、Linuxにおける開発
– セキュリティ脆弱性分析、マルウェア解析、P2P解析等
– 講演活動
• Black Hat 2008 US a...
はじめに
• IA64
• Linux, *BSD, Mac, etc.
3
& 目標
 x86で利用される様々なテクニックがx64ではどの
ようになっているかを明確にする
難易度
環境
• Windows 7 x64 Edition
• Visual Studio 2008
• Windbg
• IDA Pro Advanced
– Standard Editionは、x64未対応
4
アジェンダ
• Windows x64
• ABI(Application Binary Interface)
• API Hooking
• Code Injection
5
Windows x64
• Native x64 およびWoW64
• 仮想メモリ空間
– 2^64 = 16 Exa Byte ( Exa: 10^18)
– 実際には、最大16TBに制限されている
• ファイル・レジストリリフレクション
•...
x86 – プロセスメモリ空間
7
0x0
0xffffffff
(4GB)
0x7fffffff
(2GB)
カーネル
ユーザー空間
0x7fffffff
0x0
ntdll.dll
kernel32.dll
MSVCR90.dll
実行モジ...
x64 – プロセスメモリ空間
8
0x0
0xfff`ffffffff
(16TB)
0x7ff`ffffffff
(8TB)
カーネル
ユーザー空間
2GB
・
・
・
・
・
・
・
x 4096(0x7ff`ffffffff / 0x7...
x64 – プロセスメモリ空間
9
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カーネル
ユーザー空間
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KERNELBASE.dll
実行モジュール0x1`40000000
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(16TB)
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WoW64 – プロセスメモリ空間
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0xfff`ffffffff
(16TB)
0x7ff`ffffffff
(8TB)
カーネル
ユーザープロセス
x 4096
0x7fffffff
0x0
ntdll.dll
kernel32...
ABI
• バイナリ形式
• レジスタ
• 呼び出し規約
• 例外処理
• システムコール(x64, WoW64)
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バイナリ形式 = PE32+
• 基本的な構造は、概ねPE32と同様
• IMAGE_NT_HEADERS.FileHeader.Machine
– 0x014c => x86
– 0x8664 => x64
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バイナリ形式
• 次のフィールドサイズが64-bitsに拡張されている
– IMAGE_NT_HEADERS.IMAGE_OPTIONAL_HEADER
• ImageBase
• SizeOfStackReserve
• SizeOfStac...
レジスタ
x86(32-bits) x64(64-bits)
EAX RAX R8
ECX RCX R9
EDX RDX R10
EBX RBX R11
ESI RSI R12
EDI RDI R13
ESP RSP R14
EBP RBP R...
呼び出し規約
• 始めの4つの引数は、RCX, RDX, R8, R9レジスタを利用して渡
される(5つ目以降は、スタック経由)
• 呼び出し側がスタック上にレジスタ・ホーム・スペースを確保
• 返り値は、x86同様RAXレジスタ経由で返却され...
呼び出し規約
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int foo(int a, int b, int c, int d, int e)
{
int x = 0;
x = a + b + c + d + e * 2;
return x;
}
int main(void)
{
...
例外処理
• テーブルベースでの処理
– x86で利用されていたリンクリストでの管理は廃止
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参考) x86での例外処理
例外ディレクトリ及びRUNTIME_FUNCTION構造体
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Section A
PE32+
DOS Header
DOS stub
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NT Optional Header
Section Header
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dumpbin /unwindinfo
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00000000 00001000 00001041 000022D4 foo
Unwind version: 1
Unwind flags: N...
RUNTIME_FUNCTION.UnwindData
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typedef struct _UNWIND_INFO {
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UBYTE...
ExceptionData
typedef struct _SCOPE_TABLE {
ULONG Count;
struct
{
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ULONG EndAddress;
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try/except
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int main(void)
{
int x = 0;
__try {
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try/except
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14000...
例外ディレクトリの効用
• 実行ファイル内の非リーフ関数を列挙可能
• 非リーフ関数それぞれについて:
– 例外処理の情報を取得可能
– スタック及び不揮発レジスタの用途を把握可能
24
システムコール x86
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MSR[176h]
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(ntoskrnl.exe)
SDT Shadow
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IDT
・
・
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・
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・
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システムコール x64
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ntdll.dll
NtCreateFile
kernel32.dll
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(CreateFileW)
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CreateFileW
実行モジ...
システムコール WoW64
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ntdll32.dll
NtCreateFile
kernel32.dll
CreateFileWImplementation
(CreateFileW)
kernelbase.dll
CreateFileW
...
fs:[0C0h]
28
0:000:x86> dt _TEB
dbgbreak!_TEB
+0x000 NtTib : _NT_TIB
(snip)
+0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32 Void
...
Systemcall WoW64
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wow64cpu.dll
X86SwitchTo64BitMode
CpupReturnFromSimulatedCode
TurboDispatchJumpAddressEnd
wow64.dll
Wo...
GDT (超約)
30
仮想メモリ空間
• 仮想メモリ空間をセグメントとして管理
• カーネルコード、カーネルデータ
• ユーザコード、ユーザデータ等seg. A
seg. B
seg. C
0x0
0xff
ID seg. base limi...
Windows 7(x64)でのGDTダンプ結果
31
kd> dg 0x00 0x60
P Si Gr Pr Lo
Sel Base Limit Type l ze an es ng Flags
---- ----------------- ...
GDT[0x30]の内容
• ベース: 0x000`00000000
• リミット: 0x000`00000000
• タイプ: CODE, Read, Execute and Accessed
• 特権レベル: 3(ユーザーモード)
• L ...
システムコール WoW64
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wow64.dll
Wow64SystemServiceEx
whNtCreateFile
ntdll.dll
NtCreateFile
mov r10,rcx
mov eax,52h
syscall
ret
システムコール WoW64 (return to x86)
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ntdll.dll
NtCreateFile
wow64.dll
whNtCreateFile
Wow64SystemServiceEx
wow64cpu.dll
TurboDi...
デモ: WoW64からのx64 APIの直接呼出し
• x86からx64への遷移
– jmp 0033:XXXXXXXX
• API呼び出し
– rax: システムコール番号
– rdx: 引数リストのアドレス
– syscall
• x64か...
API Hooking
• IAT Hooking
– x86と同様の手法で実現可能
• Code Hooking
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Code Hooking
• 基本的な方法は、x86と同じ
• ただし実装の詳細に若干の差異有り
37
mov edi,edi
mov ebp,esp
push ebp
sub esp,0xc
…
…
対象API
mov edi,edi
pus...
REXプレフィックス
• 0x40~0x4E
– x86: INC 、DEC 命令
– x64: REX プレフィックス(レジスタ拡張)
• 例) 0x48,0xB8,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x8...
Code Hooking
39
00000000779811E4 mov rax,7FFFFFA0028h
00000000779811EE push rax
00000000779811EF ret
00000000779811F2 …
00...
Code Injection
• WoW64 からWoW64ヘのインジェクション
• x64からx64へのインジェクション
• WoW64 から x64へのインジェクション
• x64 からWoW64ヘのインジェクション
40
x64環境は、x...
まとめ
• Windows x64
• ABI(Application Binary Interface)
• API Hooking
• Code Injection
41
Special thanks
• Toshiaki Ishiyama@FFR
• Satoshi Tanda@FFR
42
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  1. 1. Exploring the x64 村上 純一 執行役員 先端技術研究部長 (株)フォティーンフォティ技術研究所
  2. 2. 自己紹介 • 村上 純一 – (株)フォティーンフォティ技術研究所 – カーネルモードでのWindows、Linuxにおける開発 – セキュリティ脆弱性分析、マルウェア解析、P2P解析等 – 講演活動 • Black Hat 2008 US and Japan, AVAR 2009, RSA Conference(2009-) – セキュリティ&プログラミングキャンプ講師(2006-) 2
  3. 3. はじめに • IA64 • Linux, *BSD, Mac, etc. 3 & 目標  x86で利用される様々なテクニックがx64ではどの ようになっているかを明確にする 難易度
  4. 4. 環境 • Windows 7 x64 Edition • Visual Studio 2008 • Windbg • IDA Pro Advanced – Standard Editionは、x64未対応 4
  5. 5. アジェンダ • Windows x64 • ABI(Application Binary Interface) • API Hooking • Code Injection 5
  6. 6. Windows x64 • Native x64 およびWoW64 • 仮想メモリ空間 – 2^64 = 16 Exa Byte ( Exa: 10^18) – 実際には、最大16TBに制限されている • ファイル・レジストリリフレクション • 64-bit用の追加API – IsWow64Process, GetNativeSystemInfo, etc. 6
  7. 7. x86 – プロセスメモリ空間 7 0x0 0xffffffff (4GB) 0x7fffffff (2GB) カーネル ユーザー空間 0x7fffffff 0x0 ntdll.dll kernel32.dll MSVCR90.dll 実行モジュール0x00400000
  8. 8. x64 – プロセスメモリ空間 8 0x0 0xfff`ffffffff (16TB) 0x7ff`ffffffff (8TB) カーネル ユーザー空間 2GB ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ x 4096(0x7ff`ffffffff / 0x7fffffff ) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ x 4096 2GB
  9. 9. x64 – プロセスメモリ空間 9 0x0 カーネル ユーザー空間 0x0 KERNELBASE.dll 実行モジュール0x1`40000000 0x7fffffff 0xfff`ffffffff (16TB) 0x7ff`ffffffff (8TB) 0x7fff`fffffff ntdll.dll kernel32.dll MSVCR90.dll /DYNAMICBASE:NO
  10. 10. WoW64 – プロセスメモリ空間 10 0x0 0xfff`ffffffff (16TB) 0x7ff`ffffffff (8TB) カーネル ユーザープロセス x 4096 0x7fffffff 0x0 ntdll.dll kernel32.dll wow64 実行モジュール0x00400000 ntdll32.dll kernelbase.dll wow64win wow64cpu C:¥Windows¥System32¥ntdll.dll C:¥Windows¥SysWOW64¥ntdll.dll
  11. 11. ABI • バイナリ形式 • レジスタ • 呼び出し規約 • 例外処理 • システムコール(x64, WoW64) 11
  12. 12. バイナリ形式 = PE32+ • 基本的な構造は、概ねPE32と同様 • IMAGE_NT_HEADERS.FileHeader.Machine – 0x014c => x86 – 0x8664 => x64 12
  13. 13. バイナリ形式 • 次のフィールドサイズが64-bitsに拡張されている – IMAGE_NT_HEADERS.IMAGE_OPTIONAL_HEADER • ImageBase • SizeOfStackReserve • SizeOfStackCommit • SizeOfHeapReserve • SizeOfHeapCommit 13
  14. 14. レジスタ x86(32-bits) x64(64-bits) EAX RAX R8 ECX RCX R9 EDX RDX R10 EBX RBX R11 ESI RSI R12 EDI RDI R13 ESP RSP R14 EBP RBP R15 EIP RIP 14
  15. 15. 呼び出し規約 • 始めの4つの引数は、RCX, RDX, R8, R9レジスタを利用して渡 される(5つ目以降は、スタック経由) • 呼び出し側がスタック上にレジスタ・ホーム・スペースを確保 • 返り値は、x86同様RAXレジスタ経由で返却される • リーフ関数・非リーフ関数 – リーフ関数:スタックを一切利用しない関数 – PE32+は、非リーフ関数の情報を例外ディレクトリに保存している • レジスタの揮発性 – 揮発レジスタ:RAX, RCX, RDX, R8-R11 – 不揮発レジスタを関数内で変更する場合は、スタックを利用して保 存・復元を行う必要がある 15
  16. 16. 呼び出し規約 16 int foo(int a, int b, int c, int d, int e) { int x = 0; x = a + b + c + d + e * 2; return x; } int main(void) { int rc; rc = foo(1, 2, 3, 4, 5); printf("%d¥n", rc); return rc; } rc r9 (home) r8 (home) rdx (home) rcx (home) Low High retaddr x 5th parameter rsp rsp rsp rsp sub rsp,30h mov dword ptr [rsp+20h],5 mov r9d,4 mov r8d,3 mov edx,2 mov ecx,1 call foo mov dword ptr [rsp+20h],r9d mov dword ptr [rsp+18h],r8d mov dword ptr [rsp+10h],edx mov dword ptr [rsp+8h],ecx sub rsp,8h
  17. 17. 例外処理 • テーブルベースでの処理 – x86で利用されていたリンクリストでの管理は廃止 17 参考) x86での例外処理
  18. 18. 例外ディレクトリ及びRUNTIME_FUNCTION構造体 18 Section A PE32+ DOS Header DOS stub NT FileHeader NT Optional Header Section Header Section B Section C Export Table Import Table Resource Table Exception Table Import Address Table ・ ・ ・ ・ ・ ・ Data Directory RUNTIME_FUNCTION_ENTRY RUNTIME_FUNCTION_ENTRY RUNTIME_FUNCTION_ENTRY ・ ・ ・ struct _RUNTIME_FUNCTION { ULONG BeginAddress; ULONG EndAddress; ULONG UnwindData; }
  19. 19. dumpbin /unwindinfo Begin End Info Function Name 00000000 00001000 00001041 000022D4 foo Unwind version: 1 Unwind flags: None Size of prologue: 0x16 Count of codes: 1 Unwind codes: 16: ALLOC_SMALL, size=0x18 0000000C 00001050 00001095 000022DC main Unwind version: 1 Unwind flags: None Size of prologue: 0x04 Count of codes: 1 Unwind codes: 04: ALLOC_SMALL, size=0x48 19
  20. 20. RUNTIME_FUNCTION.UnwindData 20 typedef struct _UNWIND_INFO { UBYTE Version : 3; UBYTE Flags : 5; UBYTE SizeOfProlog; UBYTE CountOfCodes; UBYTE FrameRegister : 4; UBYTE FrameOffset : 4; UNWIND_CODE UnwindCode[1]; union { // If (Flags & UNW_FLAG_EHANDLER) OPTIONAL ULONG ExceptionHandler; // Else if (Flags & UNW_FLAG_CHAININFO) OPTIONAL ULONG FunctionEntry; }; // If (Flags & UNW_FLAG_EHANDLER) OPTIONAL ULONG ExceptionData[]; } UNWIND_INFO, *PUNWIND_INFO; #define UNW_FLAG_NHANDLER 0x0 #define UNW_FLAG_EHANDLER 0x1 #define UNW_FLAG_UHANDLER 0x2 #define UNW_FLAG_CHAININFO 0x4 cf. http://www.osronline.com/article.cfm?article=469
  21. 21. ExceptionData typedef struct _SCOPE_TABLE { ULONG Count; struct { ULONG BeginAddress; ULONG EndAddress; ULONG HandlerAddress; ULONG JumpTarget; } ScopeRecord[1]; } SCOPE_TABLE, *PSCOPE_TABLE; 21 cf. http://www.osronline.com/article.cfm?article=469
  22. 22. try/except 22 int main(void) { int x = 0; __try { printf("%d¥n", 100/x); printf("foo¥n"); printf("bar¥n"); printf("baz¥n"); } __except(EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) { printf("catch!¥n"); } return 0; }
  23. 23. try/except 23 140001000 sub rsp,28h 140001004 mov eax,64h 140001009 cdq 14000100A xor ecx,ecx 14000100C idiv eax,ecx 14000100E mov edx,eax 140001010 lea rcx,[400021B0h] 140001017 call qword ptr [40002130h] 14000101D lea rcx,[400021B4h] 140001024 call qword ptr [40002130h] 14000102A lea rcx,[400021BCh] 140001031 call qword ptr [40002130h] 140001037 lea rcx,[400021C4h] 14000103E call qword ptr [40002130h] 140001044 jmp 0000000140001054 140001046 lea rcx,[400021D0h] 14000104D call qword ptr [40002130h] 140001053 nop 140001054 xor eax,eax 140001056 add rsp,28h 14000105A ret Name main Unwind version: 1 Unwind flags: EHANDLER Size of prologue: 0x04 Count of codes: 1 Unwind codes 04: ALLOC_SMALL, size=0x28 Handler:0000165C __C_specific_handler Count of scope table entries: 1 Begin 00001004 End 00001046 Handler 00000001 Target 00001046
  24. 24. 例外ディレクトリの効用 • 実行ファイル内の非リーフ関数を列挙可能 • 非リーフ関数それぞれについて: – 例外処理の情報を取得可能 – スタック及び不揮発レジスタの用途を把握可能 24
  25. 25. システムコール x86 25 IDTR MSR[176h] SDT (ntoskrnl.exe) SDT Shadow (win32k.sys) IDT ・ ・ ・ ・ ・ ・ KiSystemService Nt* APIs Nt* APIs (User/GDI) SSDT SSDT other interrupt handlers int 0x2e or sysenter
  26. 26. システムコール x64 26 ntdll.dll NtCreateFile kernel32.dll CreateFileWImplementation (CreateFileW) kernelbase.dll CreateFileW 実行モジュール CreateFileW mov r10,rcx mov eax,52h syscall ret nop dword ptr [rax+rax]
  27. 27. システムコール WoW64 27 ntdll32.dll NtCreateFile kernel32.dll CreateFileWImplementation (CreateFileW) kernelbase.dll CreateFileW 実行モジュール CreateFileW mov eax,52h xor ecx,ecx lea edx,[esp+4] call dword ptr fs:[0C0h] add esp,4 ret 2Ch
  28. 28. fs:[0C0h] 28 0:000:x86> dt _TEB dbgbreak!_TEB +0x000 NtTib : _NT_TIB (snip) +0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32 Void +0x030 ProcessEnvironmentBlock : Ptr32 _PEB +0x034 LastErrorValue : Uint4B +0x038 CountOfOwnedCriticalSections : Uint4B +0x03c CsrClientThread : Ptr32 Void +0x040 Win32ThreadInfo : Ptr32 Void +0x044 User32Reserved : [26] Uint4B +0x0ac UserReserved : [5] Uint4B +0x0c0 WOW32Reserved : Ptr32 Void • FSレジスタは、TEB(Thread Environment Block) のアドレスを保持 0:000:x86> dd fs:[0C0h] 0053:000000c0 738c2320 00000411 00000000 00000000 ↑ X86SwitchTo64BitMode
  29. 29. Systemcall WoW64 29 wow64cpu.dll X86SwitchTo64BitMode CpupReturnFromSimulatedCode TurboDispatchJumpAddressEnd wow64.dll Wow64SystemServiceEx jmp 0033:CpupReturnFromSimulatedCode call fs:[0C0h]
  30. 30. GDT (超約) 30 仮想メモリ空間 • 仮想メモリ空間をセグメントとして管理 • カーネルコード、カーネルデータ • ユーザコード、ユーザデータ等seg. A seg. B seg. C 0x0 0xff ID seg. base limit type 0x00 A 0x0 0x3f RW 0x08 B 0x40 0x7f RE 0x10 C 0x0 0xff RE セグメントセレクタ GDT
  31. 31. Windows 7(x64)でのGDTダンプ結果 31 kd> dg 0x00 0x60 P Si Gr Pr Lo Sel Base Limit Type l ze an es ng Flags ---- ----------------- ----------------- ---------- - -- -- -- -- -------- 0000 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0008 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0010 00000000`00000000 00000000`00000000 Code RE Ac 0 Nb By P Lo 0000029b 0018 00000000`00000000 00000000`ffffffff Data RW Ac 0 Bg Pg P Nl 00000c93 0020 00000000`00000000 00000000`ffffffff Code RE 3 Bg Pg P Nl 00000cfa 0028 00000000`00000000 00000000`ffffffff Data RW Ac 3 Bg Pg P Nl 00000cf3 0030 00000000`00000000 00000000`00000000 Code RE Ac 3 Nb By P Lo 000002fb 0038 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0040 00000000`00b9b080 00000000`00000067 TSS32 Busy 0 Nb By P Nl 0000008b 0048 00000000`0000ffff 00000000`0000f800 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0050 ffffffff`fffe0000 00000000`00003c00 Data RW Ac 3 Bg By P Nl 000004f3 0058 00000000`00000000 00000000`00000000 <Reserved> 0 Nb By Np Nl 00000000 0060 00000000`00000000 00000000`ffffffff Code RE 0 Bg Pg P Nl 00000c9a Kernel CS(x64), Kernel DS User CS(x86), User DS User CS(x64)
  32. 32. GDT[0x30]の内容 • ベース: 0x000`00000000 • リミット: 0x000`00000000 • タイプ: CODE, Read, Execute and Accessed • 特権レベル: 3(ユーザーモード) • L (64-bitコードセグメント) flag: 1 32
  33. 33. システムコール WoW64 33 wow64.dll Wow64SystemServiceEx whNtCreateFile ntdll.dll NtCreateFile mov r10,rcx mov eax,52h syscall ret
  34. 34. システムコール WoW64 (return to x86) 34 ntdll.dll NtCreateFile wow64.dll whNtCreateFile Wow64SystemServiceEx wow64cpu.dll TurboDispatchJumpAddressEnd CpuSimulate mov dword ptr [r14+4],23h mov r8d,2Bh mov ss,r8w mov esp,dword ptr [r13+0C8h] mov r9d,dword ptr [r13+0BCh] mov dword ptr [r14],r9d jmp fword ptr [r14] 0:000> dd r14 00000000`0008ec70 77330056 00000023 0008ed30 00000000 ↑ ↑ offset User Code(x86)
  35. 35. デモ: WoW64からのx64 APIの直接呼出し • x86からx64への遷移 – jmp 0033:XXXXXXXX • API呼び出し – rax: システムコール番号 – rdx: 引数リストのアドレス – syscall • x64からx86への遷移 – call 0023:XXXXXXXX 35
  36. 36. API Hooking • IAT Hooking – x86と同様の手法で実現可能 • Code Hooking 36
  37. 37. Code Hooking • 基本的な方法は、x86と同じ • ただし実装の詳細に若干の差異有り 37 mov edi,edi mov ebp,esp push ebp sub esp,0xc … … 対象API mov edi,edi push ebp mov ebp,esp sub esp,8h jmp XXXXXXXX トランポリンコード … … … jmp trampoline フック関数 push hookfunc ret nop nop
  38. 38. REXプレフィックス • 0x40~0x4E – x86: INC 、DEC 命令 – x64: REX プレフィックス(レジスタ拡張) • 例) 0x48,0xB8,0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x88 38 48 B8 11 22 33 44 55 66 77 88 mov rax,8877665544332211h 48 dec eax B8 11 22 33 44 mov eax,44332211h 55 push ebp 66 77 88 ja 00004E9F x86: x64:
  39. 39. Code Hooking 39 00000000779811E4 mov rax,7FFFFFA0028h 00000000779811EE push rax 00000000779811EF ret 00000000779811F2 … 000007FFFFFA0034 sub rsp,38h 000007FFFFFA0038 xor r11d,r11d 000007FFFFFA003B cmp dword ptr [7FFFFFC0F8Ch],r11d 000007FFFFFA0042 push rax 000007FFFFFA0043 mov rax,779811F2h 000007FFFFFA004D xchg rax,qword ptr [rsp] 000007FFFFFA0051 ret フック関数 書換えた元のコード フックした関数への復帰先
  40. 40. Code Injection • WoW64 からWoW64ヘのインジェクション • x64からx64へのインジェクション • WoW64 から x64へのインジェクション • x64 からWoW64ヘのインジェクション 40 x64環境は、x86マルウェアへの魔除けになるか? (Fail CreateRemoteThead API)
  41. 41. まとめ • Windows x64 • ABI(Application Binary Interface) • API Hooking • Code Injection 41
  42. 42. Special thanks • Toshiaki Ishiyama@FFR • Satoshi Tanda@FFR 42

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