安全開發(fā)之堆分配內(nèi)存加密簡析

前言

在安全研發(fā)的過程中，難免會(huì)使用內(nèi)存分配函數(shù) malloc、重載的運(yùn)算符 new 開啟堆內(nèi)存用于長時(shí)間駐留一些數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)可能對于防御者來說比較敏感，比如有時(shí)候，這些堆內(nèi)存中可能會(huì)出現(xiàn)回連地址等。所以有必要對這些保留在堆內(nèi)存中的敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

在進(jìn)入堆分配內(nèi)存加密之前，首先了解以下程序中堆棧的概念；

堆和棧是程序運(yùn)行時(shí)保存數(shù)據(jù)的方式。

棧：通常來說棧用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，比如局部變量和函數(shù)調(diào)用的上下文信息，棧上的數(shù)據(jù)的生命周期隨著函數(shù)的調(diào)用和返回而自動(dòng)管理，一般在作用域結(jié)束后被自動(dòng)釋放；

堆：堆通常用于存儲(chǔ)想長期駐留在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，比如一些需要長期存在的配置信息和一些需要共享的數(shù)據(jù)，堆上的數(shù)據(jù)的生命周期不受作用域的限制，一般在整個(gè)程序運(yùn)行期間都存在，直到顯示地釋放它們。

由于堆上的數(shù)據(jù)的生命周期不受限制，除非顯式地釋放它們，否則它們將一直駐留在內(nèi)存中，如果我們想保護(hù)這些數(shù)據(jù)，可以在內(nèi)存中將存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)的堆內(nèi)存進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)暴露。

堆分配內(nèi)存加密

枚舉堆

在對堆進(jìn)行操作之前，首先需要先枚舉進(jìn)程內(nèi)存中堆的信息，可以通過 HeapWalk 函數(shù)枚舉指定堆中的內(nèi)存塊，其函數(shù)簽名如下：

BOOL HeapWalk(
  [in]   HANDLE        hHeap,
  [in, out] LPPROCESS_HEAP_ENTRY lpEntry
);

可以使用以下代碼枚舉進(jìn)程內(nèi)存中堆的信息

void EnumHeaps()
{
  PROCESS_HEAP_ENTRY entry;
  SecureZeroMemory(&entry, sizeof(entry));
  while (HeapWalk(GetProcessHeap(), &entry))
   {
    printf("heap addr: %p size: %d
", (char*)entry.lpData, entry.cbData);
   }
}

獲取了進(jìn)程內(nèi)存中的堆信息，就可以對指定類型的堆進(jìn)行操作了，一般加密已分配的堆，需要注意的是，由于堆中的數(shù)據(jù)是線程共享的，所以，在加密堆數(shù)據(jù)之前，需要掛起所有線程（除了當(dāng)前執(zhí)行的線程），待操作結(jié)束后，恢復(fù)所有線程的執(zhí)行。

掛起線程

可以使用 SuspendThread 掛起指定線程，需要注意的是，需要排除當(dāng)前執(zhí)行的線程。

void DoSuspendThreads(DWORD targetProcessId, DWORD targetThreadId)
{
  HANDLE h = CreateToolhelp32Snapshot(TH32CS_SNAPTHREAD, 0);
  if (h != INVALID_HANDLE_VALUE)
   {
    THREADENTRY32 te;
    te.dwSize = sizeof(te);
    if (Thread32First(h, &te))
     {
      do
       {
        if (te.dwSize >= FIELD_OFFSET(THREADENTRY32, th32OwnerProcessID) + sizeof(te.th32OwnerProcessID))
         {
          // Suspend all threads EXCEPT the one we want to keep running
          if (te.th32ThreadID != targetThreadId && te.th32OwnerProcessID == targetProcessId)
           {
            HANDLE thread = ::OpenThread(THREAD_ALL_ACCESS, FALSE, te.th32ThreadID);
            if (thread != NULL)
             {
              SuspendThread(thread);
              CloseHandle(thread);
             }
           }
         }
        te.dwSize = sizeof(te);
       } while (Thread32Next(h, &te));
     }
    CloseHandle(h);
   }
}

恢復(fù)線程

使用 ResumeThread 函數(shù)，可以讓掛起的線程恢復(fù)。

void DoResumeThreads(DWORD targetProcessId, DWORD targetThreadId)
{
  HANDLE h = CreateToolhelp32Snapshot(TH32CS_SNAPTHREAD, 0);
  if (h != INVALID_HANDLE_VALUE)
   {
    THREADENTRY32 te;
    te.dwSize = sizeof(te);
    if (Thread32First(h, &te))
     {
      do
       {
        if (te.dwSize >= FIELD_OFFSET(THREADENTRY32, th32OwnerProcessID) + sizeof(te.th32OwnerProcessID))
         {
          // Suspend all threads EXCEPT the one we want to keep running
          if (te.th32ThreadID != targetThreadId && te.th32OwnerProcessID == targetProcessId)
           {
            HANDLE thread = ::OpenThread(THREAD_ALL_ACCESS, FALSE, te.th32ThreadID);
            if (thread != NULL)
             {
              ResumeThread(thread);
              CloseHandle(thread);
             }
           }
         }
        te.dwSize = sizeof(te);
       } while (Thread32Next(h, &te));
     }
    CloseHandle(h);
   }
}

在安全研發(fā)的過程中，為了降低自動(dòng)化分析對代碼的敏感度，通常會(huì)使用延遲代碼的執(zhí)行速度，比如使用Sleep函數(shù)。

根據(jù)以上，進(jìn)程中堆分配內(nèi)存的步驟如下：

掛鉤 Sleep 函數(shù)

在 HookedSleep 函數(shù)內(nèi)部：

掛起當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)所有線程（排除當(dāng)前執(zhí)行線程）

對已分配的堆進(jìn)行加密

調(diào)用原始 Sleep 進(jìn)行睡眠操作

恢復(fù)所有線程執(zhí)行

void WINAPI HookedSleep(DWORD dwMiliseconds)
{
  DWORD time = dwMiliseconds;
  if (time > 1000)
   {
    printf("HookedSleep: suspend threads, strat encrypt heaps.
");
    DoSuspendThreads(GetCurrentProcessId(), GetCurrentThreadId());
    HeapEncryptDecrypt();

    OldSleep(dwMiliseconds);

    HeapEncryptDecrypt();
    DoResumeThreads(GetCurrentProcessId(), GetCurrentThreadId());
    printf("HookedSleep: decrypt heaps success, resume threads run.
");
   }
  else
   {
    OldSleep(time);
   }
}

當(dāng)代碼中存在使用堆相關(guān)函數(shù)，比如 HeapAlloc 分配內(nèi)存時(shí)，再比如使用 CRT 函數(shù) malloc 和 重載的運(yùn)算符 new 開辟堆空間時(shí)（其最終也是通過HeapAlloc函數(shù)分配），都可通過堆分配內(nèi)存加密保護(hù)我們的數(shù)據(jù)。

下圖是在掛鉤了 Sleep 后，程序進(jìn)入HookedSleep 函數(shù)未進(jìn)行對加密之前我們在程序中分配的堆空間的原始數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行堆加密后，效果如下，可以看到，我們堆分配的內(nèi)存已被加密。

目標(biāo)線程堆分配空間加密

上文可以看到通過 HeapWalk 遍歷了進(jìn)程中所有的堆信息，并在堆加密之前比如掛起所有的線程，這樣有一個(gè)缺點(diǎn)，就是只能針對自己寫的程序。

有時(shí)候我們的需要執(zhí)行的功能代碼是通過注入到其它進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的，如果這樣冒然的將所有線程掛起，這有太多的不可預(yù)料性，可能會(huì)導(dǎo)致宿主程序崩潰。

所以需要有一種方式來實(shí)現(xiàn)只加密我們執(zhí)行功能線程代碼中分配的堆內(nèi)存。

由于通過注入 shellcode/dll 的方式執(zhí)行功能，所以首要目標(biāo)是獲取執(zhí)行功能的線程ID，之后就是在代碼中 Hook 堆分配/釋放相關(guān)的函數(shù)，RtlAllocateHeap，RtlReAllocateHeap，RtlFreeHeap 函數(shù)，這樣就可以跟蹤線程代碼中堆分配釋放的狀態(tài)了。

獲取了線程堆分配釋放的情況，目標(biāo)線程堆分配內(nèi)存加密的代碼思路如下：

獲取當(dāng)前執(zhí)行線程ID

Hook RtlAllocateHeap，RtlReAllocateHeap，RtlFreeHeap

在 HookedRtlAllocateHeap、HookedRtlReAllocateHeap 函數(shù)內(nèi)部

執(zhí)行原始 OldRtlAllocateHeap、OldRtlReAllocateHeap，并記錄堆分配的地址和大小

篩選出我們的線程分配的堆內(nèi)存：將堆分配信息添加進(jìn)維護(hù)的堆分配信息數(shù)組中

HookedRtlFreeHeap 函數(shù)內(nèi)部

得到需要釋放的地址

執(zhí)行原始 OldRtlFreeHeap

篩選出我們的線程釋放的堆內(nèi)存：將其移除維護(hù)的堆分配信息信息數(shù)組

當(dāng)篩選出目標(biāo)線程堆分配的內(nèi)存信息時(shí)，就可以通過在 HookedSleep 函數(shù)中對填充好堆分配信息數(shù)組進(jìn)行操作了。

審核編輯：劉清