VT虚拟化框架编写

news2024/9/28 3:24:06

文章目录

      • 前言
      • VT架构基础
      • VT框架编写步骤一：检测VT是否开启
      • VMM和VM
      • VMON和VMCS
      • VT框架编写步骤二 填充VMON
      • VT框架编写步骤三 进入VT
      • VT框架编写步骤四 初始化VMCS
      • VT框架编写步骤五 初始化VMCS数据区
      • VT框架编写步骤六 处理必要事件

前言

学习VT相关的知识，需要具备WIN32基础和内核相关的知识，包括Windows段机制，页机制等等，VT里面都会有所涉及，也就是得把Windows编程和驱动基本通关，新手建议劝退。

整个VT的知识结构有大量的新的概念，新的寄存器，新的指令还有各种标志位，初次学习VT建议结合代码来理解相关的理论基础，重点在于梳理整个VT的流程，不要深究具体的某个细节。整个流程走完之后就有了阅读别人代码的能力，等实际应用的时候再去查阅相关资料补齐技术细节的部分。我的笔记，很多能省的基本都省掉了，只把整体必须的流程整理出来。

VT架构基础

**什么是VT：**我理解的VT是将操作系统运行在自己模拟的一个虚拟环境之上，然后通过这个来截获所有的事件和中断，达到过反调试和过保护的效果，可以理解为一个HOOK系统吧，毕竟也是通过拦截的方式来处理事件。

三种虚拟化技术：

  1. 基于处理器的虚拟化VT-x
  2. 基于PCI总线设备实现的IO虚拟化 VT-d
  3. 基于网络的虚拟化 VT-c

目前主要研究的是基于处理器的虚拟化技术VT-x

VT框架编写步骤一：检测VT是否开启

编写VT框架的第一步，就是用代码实现判断当前环境是否支持VT。这里有三个地方需要进行判断

  1. 首先检测CPUID是否支持VT，ecx第六位，如果为1支持VT，否则不支持
typedef union _CPUID_ECX
{
	struct
	{
		unsigned SSE3 : 1;
		unsigned PCLMULQDQ : 1;
		unsigned DTES64 : 1;
		unsigned MONITOR : 1;
		unsigned DS_CPL : 1;
		unsigned VMX : 1;
		unsigned SMX : 1;
		unsigned EIST : 1;
		unsigned TM2 : 1;
		unsigned SSSE3 : 1;
		unsigned Reserved : 22;
	};

}CPUID_ECX,*PCPUID_ECX;

//检测CPUID是否支持VT
BOOLEAN VmxCheckCPUIDIsSupportVT()
{
	int cpuidInfo[4];
	__cpuidex(cpuidInfo, 1, 0);

	PCPUID_ECX cpuid = &cpuidInfo[2];
	
	return cpuid->VMX;
}

尽量用这种结构体位判断的写法，不要用左移右移的那种算法，比较直观，可读性好。

  1. 检测BIOS是否支持开启VT，在MSR寄存器里面
typedef union _IA32_FEATURE_CONTROL_MSR
{
	ULONG Value;
	struct
	{
		unsigned Lock : 1;		// Bit 0 is the lock bit - cannot be modified once lock is set
		unsigned Reserved1 : 1;		// Undefined
		unsigned EnableVmxon : 1;		// Bit 2. If this bit is clear, VMXON causes a general protection exception
		unsigned Reserved2 : 29;	// Undefined
		unsigned Reserved3 : 32;	// Undefined
	}Fields;

} IA32_FEATURE_CONTROL_MSR,*PIA32_FEATURE_CONTROL_MSR;

//检测BIOS是否开启VT
BOOLEAN VmxCheckBIOSIsSupportVT()
{
	IA32_FEATURE_CONTROL_MSR msr;
	msr.Value = __readmsr(IA32_FEATURE_CONTROL);

	return msr.Fields.Lock;
}
  1. 检测CR4.VMXE位，这个位如果被设置为1代表有VT已经开启了，你不能再开启，否则可以开启
BOOLEAN VmxCheckCR4IsSupportVT()
{
	_CR0 cr0 = { .Value = __readcr0() };
	_CR4 cr4 = { .Value = __readcr4() };
	
	if (cr0.Fields.PE != 1 || cr0.Fields.PG != 1 || cr0.Fields.NE != 1)
	{
		return FALSE;
	}

	if (cr4.Fields.VMXE==1)
	{
		return FALSE;
	}

	return TRUE;
}

VMM和VM

在VMX架构下定义了两类软件的角色和环境

  • VMM 虚拟机监管者
  • VM 虚拟机

VMM代表一类在VMX架构下的管理者角色，拥有控制权，监管每个VM的运行。

VM代表虚拟机实例，一个VMX架构可以有多个实例，每个VM都是一套独立的环境，且VM本身不会意识到自己运行在虚拟机的环境里。

host端对应VMM，guest端对应VM

VMON和VMCS

在这里插入图片描述

在VMX架构下，至少有一个VMON和VMCS的物理区域，一个VMM可以有多个VM，所以也可以有多块区域。

VMON区域是给VMM用的，VMM使用这块区域对数据进行记录和维护；每个VM也需要有自己的VMCS区域。VMM使用VMCS区域来配置VM的运行环境

VT框架编写步骤二 填充VMON

在进入VMX模式前，必须为VMM准备一份VMXON区域，和VMCS区域，并配置VM的运行环境

填充VMON也分为三个步骤：

  1. 进入前的相关寄存器设置
  2. 申请VMON物理内存
  3. 初始化VMON区域

相关寄存器设置：

  1. CR0寄存器需要满足PG位 NE位 PE位都为1
  2. CR4需要开启VMXE位

代码如下：

	//初始化CR0 CR4
	ULONG64 vcr00 = __readmsr(IA32_VMX_CR0_FIXED0);
	ULONG64 vcr01 = __readmsr(IA32_VMX_CR0_FIXED1);
	ULONG64 vcr04 = __readmsr(IA32_VMX_CR4_FIXED0);
	ULONG64 vcr14 = __readmsr(IA32_VMX_CR4_FIXED1);

	ULONG64 mcr4 = __readcr4();
	ULONG64 mcr0 = __readcr0();

	mcr4 |= vcr04;
	mcr4 &= vcr14;

	mcr0 |= vcr00;
	mcr0 &= vcr01;

	//修改CR0 CR4
	__writecr0(mcr0);
	__writecr4(mcr4);

申请VMON物理内存

接着需要分配一块物理内存作为VMON区域，以4KB对齐，大小和内存cache类型可以通过检IA32_VMX_BASIC寄存器来获得

	//给VMON申请一块内存
	PHYSICAL_ADDRESS lowphys,highphy;
	lowphys.QuadPart = 0;
	highphy.QuadPart = -1;
	pVcpucb->VmxOnAddr = MmAllocateContiguousMemorySpecifyCache(PAGE_SIZE,
		lowphys, highphy, lowphys, MmCached);
	if (!pVcpucb->VmxOnAddr)
	{
		return -1;
	}


	RtlZeroMemory(pVcpucb->VmxOnAddr, PAGE_SIZE);

	//获取物理地址
	pVcpucb->VmxOnAddrPhys = MmGetPhysicalAddress(pVcpucb->VmxOnAddr);

初始化VMON区域

VMXON区域前四个字节是VMCS ID，下一个四字节是VMX- abort indicator字段(这个不需要我们填)，如图(其实就是一个指针)：

在这里插入图片描述

VMCS ID的值可以通过IA32_VMX_BASIC获取，执行VMXON指令前必须将这个ID写入第一个四字节的位置。示例代码如下：

	//读IA32_VMX_BASIC寄存器
	ULONG64 vmxBasic= __readmsr(IA32_VMX_BASIC);

	//填充ID
	*(PULONG)pVcpucb->VmxOnAddr = (ULONG)vmxBasic;

VT框架编写步骤三 进入VT

处理器进入VMX模式需要执行VMXON指令，而这个指令需要提供一个指向VMXON区域的物理指针

int error= __vmx_on(&pVcpucb->VmxOnAddrPhys.QuadPart);

成功调用__vmx_on指令，表示处理器已经成功进入VMX Operation模式，也就是已经处于root环境。到这里我们就已经进入VT环境了，上来一堆概念和乱八七糟的字段标志已经给我干蒙了，没办法，先把流程整理清楚，后面再慢慢理解。

VT框架编写步骤四 初始化VMCS

进入VT之后，我们还需要再设置一些结构。VMCS结构存放在一个物理区域内，也是4KB对齐，有一个8字节的头部额VMCS数据区域。

在这里插入图片描述

VMCS的前8个字节也是由IA32_VMX_BASIC寄存器得到，VMCS的初始化代码和VMON区域几乎差不多

//初始化VMCS区域
int VmxInitVmcs()
{
	//获取当前核
	PVMXCPUPCB pVcpucb = VmxGetCurrentCpucb();

	//给VMCS申请一块内存
	PHYSICAL_ADDRESS lowphys, highphy;
	lowphys.QuadPart = 0;
	highphy.QuadPart = -1;
	pVcpucb->VmxCsAddr = MmAllocateContiguousMemorySpecifyCache(PAGE_SIZE,lowphys, highphy, lowphys, MmCached);
	if (!pVcpucb->VmxCsAddr)
	{
		return -1;
	}
	RtlZeroMemory(pVcpucb->VmxCsAddr, PAGE_SIZE);

	//获取物理地址
	pVcpucb->VmxCsAddrPhys = MmGetPhysicalAddress(pVcpucb->VmxCsAddr);

	//读IA32_VMX_BASIC寄存器
	ULONG64 vmxBasic = __readmsr(IA32_VMX_BASIC);

	//填充ID
	*(PULONG)pVcpucb->VmxCsAddr = (ULONG)vmxBasic;

	//清空以前的状态
	__vmx_vmclear(&pVcpucb->VmxCsAddrPhys.QuadPart);

	//加载新的VMCS
	__vmx_vmptrld(&pVcpucb->VmxCsAddrPhys.QuadPart);
}

VT框架编写步骤五 初始化VMCS数据区

上面我们的VMCS区域还没有初始化完成，只是初始化了前8个字节，还有一块数据区需要进行初始化。

VMCS的数据区包括了6个区域：

  1. guest-state区域，保存处理器的状态信息
  2. host-state区域，保存处理器的状态信息
  3. VM-execution控制区域，这里就是VM控制区了，可以用来设置和拦截中断
  4. VM-exit控制区域，处理退出VM的行为
  5. VM-entry控制区域，处理进入VM的行为
  6. VM-exit信息区域，记录退出VM事件的原因和相关信息和错误码

这六个数据区，都要一一进行初始化设置。

访问VMCS字段

软件必须通过VMREAD和VMWRITE来访问VMCS字段，每个字段定义一个唯一ID值来对应，这个字段ID值提供给VMREAD作为index值来访问对应字段。

在这里插入图片描述

关于字段的值和具体含义，这个不需要记，有定义好的宏配合__vmx_vmwrite函数，直接拿来用就行了。

初始化VMHost和VMGuest就是把这些乱八七糟的位都给他置上对应的值，太多了，就不一个个拆开细讲了。


void VmxInitVmGuest(ULONG64 GuestEip, ULONG64 GuestEsp)
{
	//填充GDT表项
	FillGdtDataItem(0, AsmReadES());
	FillGdtDataItem(1, AsmReadCS());
	FillGdtDataItem(2, AsmReadSS());
	FillGdtDataItem(3, AsmReadDS());
	FillGdtDataItem(4, AsmReadFS());
	FillGdtDataItem(5, AsmReadGS());
	FillGdtDataItem(6, AsmReadLDTR());


	//取GDT表
	GdtTable gdtTable = { 0 };
	AsmGetGdtTable(&gdtTable);

	ULONG trSelector = AsmReadTR();

	//可能是三环的 要处理下
	trSelector &= 0xFFF8;

	ULONG trlimit = __segmentlimit(trSelector);

	LARGE_INTEGER trBase = { 0 };
	PULONG trItem = (PULONG)(gdtTable.Base + trSelector);

	//读TR.Base
	trBase.LowPart = ((trItem[0] >> 16) & 0xFFFF)|((trItem[1]&0xFF)<<16)| (trItem[1] & 0xFF000000);
	trBase.HighPart = trItem[2];

	//属性
	ULONG attr = (trItem[1] & 0x00F0FF00) >> 8;


	__vmx_vmwrite(GUEST_TR_BASE, trBase.QuadPart);
	__vmx_vmwrite(GUEST_TR_LIMIT , trlimit);
	__vmx_vmwrite(GUEST_TR_AR_BYTES , attr);
	__vmx_vmwrite(GUEST_TR_SELECTOR, trSelector);


	__vmx_vmwrite(GUEST_CR0, __readcr0());
	__vmx_vmwrite(GUEST_CR3, __readcr3());
	__vmx_vmwrite(GUEST_CR4, __readcr4());
	__vmx_vmwrite(GUEST_DR7, __readdr(7));
	__vmx_vmwrite(GUEST_RFLAGS, __readeflags());
	__vmx_vmwrite(GUEST_RSP, GuestEsp);
	__vmx_vmwrite(GUEST_RIP, GuestEip);

	__vmx_vmwrite(GUEST_SYSENTER_CS, __readmsr(0x174));
	__vmx_vmwrite(GUEST_SYSENTER_ESP, __readmsr(0x175));
	__vmx_vmwrite(GUEST_SYSENTER_EIP, __readmsr(0x176));


	__vmx_vmwrite(GUEST_IA32_DEBUGCTL, __readmsr(IA32_MSR_DEBUGCTL));
	__vmx_vmwrite(GUEST_IA32_PAT, __readmsr(IA32_MSR_PAT));
	__vmx_vmwrite(GUEST_IA32_EFER, __readmsr(IA32_MSR_EFER));
	__vmx_vmwrite(GUEST_FS_BASE, __readmsr(IA32_FS_BASE));
	__vmx_vmwrite(GUEST_GS_BASE, __readmsr(IA32_GS_BASE));
	__vmx_vmwrite(VMCS_LINK_POINTER, -1);


	//IDT GDT
	GdtTable idtTable;
	__sidt(&idtTable);

	__vmx_vmwrite(GUEST_GDTR_BASE, gdtTable.Base);
	__vmx_vmwrite(GUEST_GDTR_LIMIT, gdtTable.limit);

	__vmx_vmwrite(GUEST_IDTR_BASE, idtTable.Base);
	__vmx_vmwrite(GUEST_IDTR_LIMIT, idtTable.limit);
}

初始化Host也跟上面的代码类似。

初始化VM_ENTRY

void VMInitEntry()
{
	ULONG64 vmxBasic = __readmsr(IA32_VMX_BASIC);

	ULONG64 mseregister = ((vmxBasic >> 55) & 1) ? IA32_MSR_VMX_TRUE_ENTRY_CTLS : IA32_VMX_ENTRY_CTLS;

	ULONG64 value= VmxAdjustContorls(0x200, mseregister);
	__vmx_vmwrite(VM_ENTRY_CONTROLS, value);
	__vmx_vmwrite(VM_ENTRY_MSR_LOAD_COUNT, 0);
	__vmx_vmwrite(VM_ENTRY_INTR_INFO_FIELD, 0);
}

初始化VM_EXIT

void VMInitExit()
{
	ULONG64 vmxBasic = __readmsr(IA32_VMX_BASIC);

	ULONG64 mseregister = ((vmxBasic >> 55) & 1) ? IA32_MSR_VMX_TRUE_EXIT_CTLS : IA32_MSR_VMX_TRUE_EXIT_CTLS;

	ULONG64 value = VmxAdjustContorls(0x200|0x8000, mseregister);
	__vmx_vmwrite(VM_EXIT_CONTROLS, value);
	__vmx_vmwrite(VM_EXIT_MSR_LOAD_COUNT, 0);
	__vmx_vmwrite(VM_EXIT_INTR_INFO, 0);
}

初始化控制区


//初始化VM控制区
void VMInitControls()
{
	ULONG64 vmxBasic = __readmsr(IA32_VMX_BASIC);

	ULONG64 mseregister = ((vmxBasic >> 55) & 1) ? IA32_MSR_VMX_TRUE_PINBASED_CTLS : IA32_MSR_VMX_PINBASED_CTLS;

	ULONG64 value = VmxAdjustContorls(0, mseregister);
	__vmx_vmwrite(PIN_BASED_VM_EXEC_CONTROL, value);


	mseregister = ((vmxBasic >> 55) & 1) ? IA32_MSR_VMX_TRUE_PROCBASED_CTLS : IA32_MSR_VMX_PROCBASED_CTLS;
	value = VmxAdjustContorls(0, mseregister);
	__vmx_vmwrite(CPU_BASED_VM_EXEC_CONTROL, value);
}

至于为什么要这么初始化，我也不知道，先把流程整理出来再说。到这里整个VT框架就完成了，下一步就可以开始拦截事件。

VT框架编写步骤六 处理必要事件

到这里我们的框架就已经完成了，现在可以开始处理自己想要拦截的事件。但是在这些事件里面，有一些事件是我们必须要处理掉的，我们写完这一部分的代码，才能开始拦截我们自己想要拦截的事件

在这里插入图片描述

如上图所示，上图中的指令引起的VM-exit事件，就是我们必须要处理掉的，代码如下：

EXTERN_C VOID VmxExitHandler(PGuestContext context)
{
	ULONG64 reason = 0;
	ULONG64 intstLen = 0;
	ULONG64 instinfo = 0;
	ULONG64 mrip = 0;
	ULONG64 mrsp = 0;

	//退出事件码
	__vmx_vmread(VM_EXIT_REASON, &reason);

	//指令长度
	__vmx_vmread(VM_EXIT_INSTRUCTION_LEN, &intstLen);

	//指令详细信息
	__vmx_vmread(VMX_INSTRUCTION_INFO, &instinfo);

	//获取客户机触发VT事件的地址
	__vmx_vmread(GUEST_RIP, &mrip);
	__vmx_vmread(GUEST_RSP, &mrsp);


	//拿退出码的前16位 对下面的事件进行处理
	reason = reason & 0xFFFF;


	switch (reason)
	{
	case EXIT_REASON_CPUID:
		VmxExitHandlerCpuid(context);
		break;
	case EXIT_REASON_GETSEC:
	{
		DbgBreakPoint();
		DbgPrint("EXIT_REASON_GETSEC reson:%x rip:%llx\n",reason,mrip);
	}
		break;
	case EXIT_REASON_TRIPLE_FAULT:
	{
		DbgBreakPoint();
		DbgPrint("EXIT_REASON_TRIPLE_FAULT reson:%x rip:%llx\n", reason, mrip);
	}
	break;
	case EXIT_REASON_INVD:
	{
		AsmInvd();
	}
	break;
	case EXIT_REASON_VMCALL:
	case EXIT_REASON_VMCLEAR:
	case EXIT_REASON_VMLAUNCH:
	case EXIT_REASON_VMPTRLD:
	case EXIT_REASON_VMPTRST:
	case EXIT_REASON_VMREAD:
	case EXIT_REASON_VMRESUME:
	case EXIT_REASON_VMWRITE:
	case EXIT_REASON_VMXOFF:
	case EXIT_REASON_VMXON:
	{
		//统一返回错误，执行我们的VT后 就不往下执行了
		ULONG64 rflags = 0;
		__vmx_vmread(GUEST_RFLAGS, &rflags);
		rflags |= 0x41;
		__vmx_vmwrite(GUEST_RFLAGS, &rflags);
	}
	break;
	case EXIT_REASON_MSR_READ:
	{
		VmxExitHandlerReadMsr(context);
	}
		break;
	case EXIT_REASON_MSR_WRITE:
	{
		VmxExitHandlerWriteMsr(context);
	}
		break;
	case EXIT_REASON_XSETBV:
	{
		ULONG64 value = MAKE_REG(context->mRax , context->mRdx);
		_xsetbv(context->mRcx, value);
	}
	break;

	default:
		break;
	}

	//写入RIP和RSP  让VT能正确返回
	__vmx_vmwrite(GUEST_RIP, mrip+intstLen);
	__vmx_vmwrite(GUEST_RSP, mrsp);

}

到这里，我们的VT框架必须填充的部分就已经完成了。


VOID VmxHandlerCpuid(PGuestContext context)
{
	if (context->mRax == 0x8888)
	{
		context->mRax = 0x11111111;
		context->mRbx = 0x22222222;
		context->mRcx = 0x33333333;
		context->mRdx = 0x44444444;
	}
	else 
	{
		int cpuids[4] = {0};
		__cpuidex(cpuids,context->mRax, context->mRcx);
		context->mRax = cpuids[0];
		context->mRbx = cpuids[1];
		context->mRcx = cpuids[2];
		context->mRdx = cpuids[3];
	}
}

这里我们加一个测试的代码，拦截cpuid指令，然后修改周围的寄存器。

在这里插入图片描述

这里比较蛋疼的一个点，框架部分代码一旦出现错误没法调试，也没有错误信息，直接就是虚拟机关闭。

而且这个部分的代码都是初始化和设置各种标志位和字段，能单步调试，其实也没有多大意义，根本看不出来异常，只能一行一行代码对照。

在这里插入图片描述

如果你的VT框架可以正常加载，并且执行这两条指令以后，寄存器被修改，说明事件可以正常拦截，那么恭喜各位框架搭建成功。

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描述 输入一个升序数组 array 和一个数字S&#xff0c;在数组中查找两个数&#xff0c;使得他们的和正好是S&#xff0c;如果有多对数字的和等于S&#xff0c;返回任意一组即可&#xff0c;如果无法找出这样的数字&#xff0c;返回一个空数组即可。 数据范围: 0≤len(array)≤…
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常规网页布局

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单列布局1 <!DOCTYPE html> <html lang"en"> <head><meta charset"UTF-8"><title>单列布局1-头主尾等宽</title><style>.container {max-width: 960px; /*设置最大宽度为固定值*/margin: 0 auto; /*设置内部子…
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Delphi 中TImageCollection和TVirtualImageList 控件实现high-DPI

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一、概述RAD Studio允许你通过使用TImageCollection组件和TVirtualImageList组件&#xff0c;在你的Windows VCL应用程序中包含缩放、高DPI、多分辨率的图像。这两个组件位于Windows 10面板中&#xff1a;注意&#xff1a;如果你使用FireMonkey进行跨平台应用&#xff0c;请看T…
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用VSCode在共用服务器上使用连接自己的Docker容器进行开发

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问题描述 我们实验室有一台很牛的Linux服务器&#xff0c;核多卡多硬盘大&#xff0c;它是大家共用的&#xff0c;组里给我们每个人都创建了一个普通用户&#xff0c;没有sudo权限&#xff0c;所以不能用apt。 但是每个人对开发环境的需求都是不一样的&#xff0c;比如我要用…
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