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黑客爱用的HOOK技术大揭秘!

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发表于 2020-11-22 10:10:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
原文链接黑客爱用的HOOK技术大揭秘!
什么是HOOK技术?病毒木马为何惨遭杀软拦截?
商业软件为何频遭免费破解?
系统漏洞为何能被补丁修复?
这一切的背后到底是人性的扭曲,还是道德的沦丧,尽请收看今天的专题文章:《什么是HOOK技术?》
上面是开个玩笑,言归正传,今天来聊的话题就是安全领域一个非常重要的技术:HOOK技术
HOOK,英文意思是“钩子”

在计算机编程中,HOOK是一种「劫持」程序原有执行流程,添加额外处理逻辑的一种技术。
按照这个定义,其实我们Python中的装饰器和Java中的注解,这种面向切面编程的手法在某种程度上来说,也算是HOOK。
不同的是,本文要探讨的HOOK并非属于程序原有的逻辑,而是在程序已经编译成可执行文件甚至已经在运行中的时候,如何劫持和修改程序的流程。
按照劫持的目标不同,常见的HOOK有以下这些类型:
  • Inline HOOK
  • IAT HOOK
  • C++ virtable HOOK
  • SEH HOOK
  • IDT HOOK
  • SSDT HOOK
  • IRP HOOK
  • TDI HOOK && NDIS HOOK
  • Windows Message HOOK

接下来,咱们挨个来看一下。
Inline HOOK程序和代码是给程序员们看的,计算机要运行,最终是要编译成CPU的机器指令才能执行。
Inline HOOK的目标就是直接修改程序编译后的指令,属于最基础也最常见的HOOK技术。
下面我们以一个实例来感受一下Inline HOOK的效果:
  1. void functionA() {
  2. cout << "this is function A" << endl;
  3. }

  4. void hookFunction() {
  5. cout << "this is hookFunction" << endl;
  6. }

  7. int main() {

  8. cout << "before hook" << endl;
  9. functionA();

  10. // prepare hook
  11. unsigned char code[5] = { 0xe9, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
  12. unsigned int offset = (unsigned int)hookFunction - ((unsigned int)functionA + 5);
  13. *(unsigned int*)&code[1] = offset;

  14. // install hook
  15. unsigned long old = 0;
  16. VirtualProtect(functionA, 0x1000, PAGE_EXECUTE_READWRITE, &old);
  17. memcpy(functionA, code, 5);

  18. cout << "after hook" << endl;
  19. functionA();

  20. return 0;
  21. }
复制代码

输出:

代码中定义了目标函数functionA和hook函数hookFunction。
第一次调用,输出显示调用了原函数。
然后安装一个HOOK,准备了一条jmp指令,覆盖函数入口处的指令。此时观察覆盖前后的函数指令变化对比:

再次调用该函数,则一进入就发生跳转,我们安装的HOOK函数得到了执行。
所以第二次输出显示HOOK函数得到了调用。

大部分情况下,我们习惯于在函数入口处执行HOOK,但这并不是绝对的,还需要具体问题具体分析。比如如果我们需要等待函数执行完毕时拿到返回值才能介入处理,这个时候就需要在函数return的地方进行HOOK。甚至有可能需要在函数中途某个地方介入,这个时候就需要更进一步的对函数的反编译指令进行分析,确定HOOK的点位和处理逻辑。
执行Inline HOOK非常关键的几点:
  • 指令所在的内存页是否允许写入操作,若只读,须先添加写入权限
  • 需要动态解析目标位置处的指令,不能像上面那样暴力覆盖,否则会影响原来函数的执行逻辑
  • 如果在HOOK处理函数中需要调用原函数,注意别陷入死循环
  • 如果有参数,需要处理好堆栈平衡

Inline HOOK由于是直接在CPU机器指令层面上的操作,所以首先是无法做到跨平台。同时,还需要对CPU的指令集有一定程序的了解,具备一定的汇编语言功底。
好在,IT行业从来不缺造轮子的人,已经有不少优秀的开源项目将Inline HOOK封装成库,比如:Detours

除了直接修改函数的机器指令,还有一类HOOK,它们修改的是某些重要的函数指针,从而达到劫持执行的目的。
形形色色的函数指针,就衍生出各式各样的HOOK技术。
IAT HOOK一个程序的所有代码一般不会全部都编译到一个模块中,分拆到不同的模块既有利于合作开发,也有利于代码管理,降低耦合。
动态链接库就提供了这样的能力,将不同的模块编译成一个个的动态库文件,在使用时引入调用。
在Windows平台上,动态链接库一般以DLL文件的形式存在,主程序模块一般是EXE文件形式存在。无论是EXE还是DLL,都是属于PE文件。
一个模块引用了哪些模块的哪些函数,是被记录在PE文件的导入表IAT中。这个表格位于PE文件的头部,里面记录了模块的名字,函数的名字。
在模块加载时,模块加载器将解析对应函数的实际地址,填入到导入表中。
通过修改导入表IAT中函数的地址,这种HOOK叫IAT HOOK
SEH HOOKSEH是Windows操作系统上结构化异常处理的缩写,在代码中通过try/except来捕获异常时,操作系统将会在线程的栈空间里安置一个异常处理器(其实就是一个数据结构),里面定义了发生异常时该去执行哪里的代码处理异常。
异常处理可以多级嵌套,那多个异常处理就构成了一个链表,存在于栈空间之上。

当发生异常时,操作系统系统就从最近的异常处理器进行寻求处理,如果能处理则罢了,不能处理就继续寻求更上一级的异常处理器,直到找到能处理的异常处理器。如果都没法处理,那对不起,只好弹出那个经典的报错对话框,进程崩溃。

SEH HOOK针对的目标就是修改这些异常处理器中记录的函数指针,当异常发生时就能获得执行,从而劫持到执行流!因为这些异常处理器都位于线程的栈空间,修改起来并非难事。
C++ virtable HOOKC++是一门面向对象的编程语言,支持面向对象的三大特性:封装性继承性多态性
其中的多态性,各个C++编译器基本上都是通过一种叫虚函数表的机制来实现。
下面通过一个实际的例子来感受一下虚函数表在C++多态性上发挥的作用。
  1. #include <iostream>
  2. using namespace std;

  3. class Animal {
  4. public:
  5. virtual void breathe() {
  6.   cout << "Animal breathe" << endl;
  7. }
  8. virtual void eat() {
  9.   cout << "Animal eat" << endl;
  10. }
  11. };

  12. class Fish : public Animal {
  13. public:
  14. virtual void breathe() {
  15.   cout << "Fish breathe" << endl;
  16. }
  17. virtual void eat() {
  18.   cout << "Fish eat" << endl;
  19. }
  20. };

  21. class Cat : public Animal {
  22. public:
  23. virtual void breathe() {
  24.   cout << "Cat breathe" << endl;
  25. }
  26. virtual void eat() {
  27.   cout << "Cat eat" << endl;
  28. }
  29. };

  30. int main() {
  31. Animal* animal = nullptr;
  32. Fish* fish = new Fish();
  33. Cat* cat = new Cat();

  34. animal = fish;
  35. animal->breathe();
  36. animal->eat();

  37. cout << "--------------" << endl;
  38. cout << "sizeof(fish) = " << sizeof(fish) << endl;
  39. cout << "sizeof(cat) = " << sizeof(cat) << endl;
  40. cout << "--------------" << endl;

  41. animal = cat;
  42. animal->breathe();
  43. animal->eat();

  44. delete fish;
  45. delete cat;
  46. return 0;
  47. }
复制代码

输出:

通过上面的输出,可以看到,fish和cat对象都只占据4个字节。因为这两个类都没有成员变量,唯一需要存储的就是一个虚函数表指针。
以cat对象为例,看一下它的地址,是0x005cfc30:

看一下这个地址起始的4个字节,是什么:

虚表指针是0x000d9b90(这里需要注意字节顺序)。
通过这个地址,找到虚函数表,里面有两个函数地址:

查看这两个地址,都是指向了一个jmp指令,分别跳到了Cat类的两个虚函数。


通过上面的实例,总结一下对象、虚函数表和虚函数代码之间的关系如下图所示:

每个包含虚函数的类对象,在内存中都有一个指针,位于对象头部,指向的是一个虚函数表,表中的每一项都是虚函数地址。
类继承后,如果重写了父类的虚函数,子类对象指向的表格中对应函数的地址将会更新为子类的函数。
这样,使用父类指针指向子类对象,通过指针调用虚函数时,就能调用到子类重写的虚函数,从而实现多态性
既然是记录函数地址的表格,那就有存在被篡改的可能,这就是C++ virtable HOOK
通过篡改对应虚函数的地址,实现对相应函数调用的拦截。
实施这种HOOK,需要逆向分析目标C++对象的结构,掌握虚函数表中各个函数的位置,才能精准打击。

上面几种HOOK,修改的都是应用层的函数指针,而操作系统内核中还有一些非常重要的表格,它们的表项中记录了一些更加关键的函数,HOOK这些表格中的函数是非常高危的操作,操作不当将导致操作系统崩溃。当然,高风险高回报,HOOK这些函数,能实现一些非常强大的功能,是病毒、木马、安全软件非常爱干的事情。
SSDT HOOK系统调用是操作系统提供给应用程序的编程接口API,应用程序通过这些API得以操作计算机的资源(如进程、网络、文件等)。
执行系统调用的时候,CPU将从用户模式切换到内核模式,进入内核后,将会根据系统调用的API编号,去找到对应的系统服务函数,实现对应API的功能。
操作系统将所有的系统服务函数地址,存放在了一个表格中,这个表格就是系统服务描述符表。在Linux上,这个表格的名字叫sys_call_table,在Windows上,它叫KeServiceDescriptorTable,简称SSDT

Windows上的SSDT向来是兵家必争之地,安全软件为了监控应用程序的行为,通常都会替换SSDT表格中的系统服务函数地址为它们的函数。当系统调用触发时,安全软件将会及时知晓,并通过应用程序的参数来判定是否“放行”这次调用。
IDT HOOK内核中除了记录系统服务的SSDT,还有一个非常重要的表格:中断描述符表IDT
IDT用于记录CPU执行过程中遇到中断异常等情况时,该转向哪里去处理这些情况的函数地址。
HOOK IDT有一个注意事项,不同于SSDT是全局唯一的,IDT是与CPU核心紧密相关的,对于多核处理器,会对应多个IDT表。如果想通过HOOK IDT中的函数来搞事情的话,可能需要同时处理多个表。

除了直接修改函数指令和修改函数指针之外,还有一类特殊的HOOK,它们通过系统提供的机制拦截某些消息、通知,从而有机会介入监听、拦截。
IRP HOOK在Windows系统上,用户程序和内核驱动之间的交互是通过一种称为IRP的数据结构实现的,你可以简单将其理解为应用程序发送了一个消息下去,这个消息就是一个IRP。
而接收消息的目标,是驱动程序创建的设备Device。注意,这个设备不一定是物理设备,也可能完全不存在的虚拟设备,驱动程序可以任意创建一个不存在的设备。
Windows内核中提供了驱动设备的挂载操作,允许别的驱动程序对指定设备进行挂载,从而可以截获发送给该设备的“消息”,这种HOOK方式被称为IRP HOOK

国内一些安全软件为了互相攻击,经常用这种方式拦截对方驱动程序的消息,从而可以“保护”自己不被对方干掉。
TDI HOOK && NDIS HOOK这两种HOOK方式与Windows内核中的网络子系统密切相关。
Windows内核中的网络结构是分层式设计。从最上层的API socket层、到TCP/IP协议栈层、再到底层的网卡驱动程序,分了很多个层次。
而层与层之间的交互,是通过一系列标准接口来实现的,其中最重要的两个接口标准就是TDINDIS。TDI封装了不同协议栈的差异(Windows不止支持TCP/IP协议栈)提供给上层统一的调用接口。NDIS则封装了底层不同网卡的驱动程序接口差异,提供给上层统一的收发数据包接口。
Windows为了扩展性支持,允许类似防火墙之类的软件通过这些接口接入,从而能够截获到网络通信流量,进行安全审计。
既然开了这些接口,一些流氓软件和木马病毒也就盯上了它们,通过这些接口就能轻松监听、篡改网络数据,达到邪恶的目的。
Windows Message HOOKWindows操作系统的UI交互是以消息来驱动的,用户的键盘输入、鼠标操作都会被操作系统以消息的形式发送到各个应用程序处理。
Windows提供了API接口,可以被程序用于捕获这些消息,从而实现一些特定的功能。
  1. HHOOK SetWindowsHookEx(
  2.   int       idHook,
  3.   HOOKPROC  lpfn,
  4.   HINSTANCE hmod,
  5.   DWORD     dwThreadId
  6. );
复制代码

这种机制叫做Windows消息钩子,最常见的就要数键盘钩子了,在十多年前流氓软件和木马病毒大行其道的时候,这些恶意软件经常喜欢通过这种方式来监听用户的键盘输入,从而来盗取QQ密码(当然,现在肯定是不行的了)。
总结以上就是要介绍的全部HOOK技术了。当然有HOOK,就有反HOOK,很多安全软件都会检查关键的位置是否被篡改。不仅如此,因为流氓软件随意修改系统,Windows从Win7 x64开始加入了PatchGuard机制,针对操作系统核心数据结构都加入了定时检测机制,一旦发现被篡改,立刻蓝屏给你看,而且在随着系统升级换代,这个检查的粒度和强度变得越来越强。
最后来回到文章开头的几个问题:
病毒木马为何惨遭杀软拦截?
因为安全软件在内核中HOOK了大量的关键位置,病毒木马的进程、文件、网络行为都将受到监控,一举一动都难逃杀软的眼睛,想要拦截易如反掌。
商业软件为何频遭免费破解?
通过逆向分析加上Inline HOOK,破解者可以篡改掉商业软件的注册校验机制,让校验函数返回成功,绕开软件的限制。
系统漏洞为何能被补丁修复?
统一通过Inline HOOK,操作系统能够修改原来有bug的代码,转而执行修复后的新版本,解决系统漏洞。
你看,技术就是一柄双刃剑,善或恶,一念之间。

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