Fuzz前置技能-unicorn模拟执行

Unicorn是一个轻量级, 多平台, 多架构的CPU模拟器框架，基于qemu开发，它可以代替CPU模拟代码的执行，常用于恶意代码分析，Fuzz等，该项目被用于Radare2逆向分析框架，GEF(gdb的pwn分析插件)，Pwndbg，Angr符号执行框架等多个著名项目。

开发准备

官网

Unicorn

编译安装

安装提供了两种方式：

• 从源安装

  • OSX（homebrew）

    brew install unicorn
    # homebrew安装好后需要设置library的全局变量
    export DYLD_LIBRARY_PATH=/usr/local/opt/unicorn/lib/:$DYLD_LIBRARY_PATH
    
    # 然后安装python库
    pip install unicorn
    

  • Linux参考官方安装手册

  • Winodws参考官方安装手册

• 从源码构建

  • 下载源码包：

    Download

    # 构建
    ./make.sh
    sudo ./make.sh install
    
    # 安装python 库
    pip install unicorn
    
    # 升级unicorn库
    pip install unicorn --upgrade
    

  其他交叉编译（如IOS、ARM、Android）参考官方文档

快速入门

安装好unicorn后，可以用下面的测试用例来检测unicorn的功能是否可用

Python

• 以下为Python调用unicorn框架测试代码

  from __future__ import print_function
  from unicorn import *
  from unicorn.x86_const import *
  
  # 要模拟执行的指令
  X86_CODE32 = b"\x41\x4a" # INC ecx; DEC edx
  
  # 模拟执行的起始地址
  ADDRESS = 0x1000000
  
  print("Emulate i386 code")
  try:
      # 初始化模拟X86-32模式
      mu = Uc(UC_ARCH_X86, UC_MODE_32)
      # 为模拟执行申请2MB的空间
      mu.mem_map(ADDRESS, 2 * 1024 * 1024)
  
      # 向内存写入执行的指令
      mu.mem_write(ADDRESS, X86_CODE32)
  
      # 初始化寄存器的值，方便执行后观察结果
      mu.reg_write(UC_X86_REG_ECX, 0x1234)
      mu.reg_write(UC_X86_REG_EDX, 0x7890)
  
      # 在无限时间和无限指令中模拟代码
      mu.emu_start(ADDRESS, ADDRESS + len(X86_CODE32))
  
      # 现在打印执行后寄存器中的结果
      print("Emulation done. Below is the CPU context")
  
      r_ecx = mu.reg_read(UC_X86_REG_ECX)
      r_edx = mu.reg_read(UC_X86_REG_EDX)
      print(">>> ECX = 0x%x" %r_ecx)
      print(">>> EDX = 0x%x" %r_edx)
  
  except UcError as e:
      print("ERROR: %s" % e)
  

  最终输出结果：

  Emulate i386 code
  Emulation done. Below is the CPU context
  >>> ECX = 0x1235
  >>> EDX = 0x788f
  

  看到结果，ECX被加了1，并且EDX被减去1，表示python可以成功调用unicorn

C

• 以下为C调用unicorn框架测试代码

  #include<stdio.h>
  #include<unicorn/unicorn.h>
  #include<string.h>
  
  #define ADDRESS 0x1000000
  #define X86_CODE32 "\x41\x4a\x66\x0f\xef\xc1" // INC ecx; DEC edx; PXOR xmm0, xmm1
  
  // 在终端中输出起始地址和硬编码大小
  static void hook_block(uc_engine *uc, uint64_t address, uint32_t size, void *user_data)
  {
      printf(">>> Tracing basic block at 0x%"PRIx64 ", block size = 0x%x\n", address, size);
  }
  
  // hook 回调函数，用于监视程序运行时的变化
  static void hook_code(uc_engine *uc, uint64_t address, uint32_t size, void *user_data)
  {
      int eflags;
      printf(">>> Tracing instruction at 0x%"PRIx64 ", instruction size = 0x%x\n", address, size);
  
      uc_reg_read(uc, UC_X86_REG_EFLAGS, &eflags); //获取寄存器值放入eflags变量中
      printf(">>> --- EFLAGS is 0x%x\n", eflags);
  
      // Uncomment below code to stop the emulation using uc_emu_stop()
      // if (address == 0x1000009)
      //    uc_emu_stop(uc);
  }
  
  static void test_i386(void)
  {
      uc_engine *uc;
      uc_err err;
      uint32_t tmp;
      uc_hook trace1, trace2;
  
      int r_ecx = 0x1234;     // ECX 寄存器
      int r_edx = 0x7890;     // EDX 寄存器
      // XMM0 、 XMM1 寄存器, 数组分别为低64位和高64位
      uint64_t r_xmm0[2] = {0x08090a0b0c0d0e0f, 0x0001020304050607};
      uint64_t r_xmm1[2] = {0x8090a0b0c0d0e0f0, 0x0010203040506070};
  
      printf("Emulate i386 code\n");
  
      // 初始化x86环境
      err = uc_open(UC_ARCH_X86, UC_MODE_32, &uc);
      if (err) {
          printf("Failed on uc_open() with error returned: %u\n", err);
          return;
      }
  
      // 为模拟执行代码申请 2MB 内存
      uc_mem_map(uc, ADDRESS, 2 * 1024 * 1024, UC_PROT_ALL);
  
      // 向目标地址写入opcode
      if (uc_mem_write(uc, ADDRESS, X86_CODE32, sizeof(X86_CODE32) - 1)) {
          printf("Failed to write emulation code to memory, quit!\n");
          return;
      }
  
      // 初始化寄存器ECX、EDX、XMM0、XMM1
      uc_reg_write(uc, UC_X86_REG_ECX, &r_ecx);
      uc_reg_write(uc, UC_X86_REG_EDX, &r_edx);
      uc_reg_write(uc, UC_X86_REG_XMM0, &r_xmm0);
      uc_reg_write(uc, UC_X86_REG_XMM1, &r_xmm1);
  
      // 在函数内插桩，成功时会调用回调函数 
      uc_hook_add(uc, &trace1, UC_HOOK_BLOCK, hook_block, NULL, 1, 0);
  
      // 每当代码执行时调用回调函数
      uc_hook_add(uc, &trace2, UC_HOOK_CODE, hook_code, NULL, 1, 0);
  
      // 模拟执行
      err = uc_emu_start(uc, ADDRESS, ADDRESS + sizeof(X86_CODE32) - 1, 0, 0);
      if (err) {
          printf("Failed on uc_emu_start() with error returned %u: %s\n",
                  err, uc_strerror(err));
      }
  
      // 最后输出一些模拟执行完成后寄存器的值
      printf(">>> Emulation done. Below is the CPU context\n");
  
      uc_reg_read(uc, UC_X86_REG_ECX, &r_ecx);
      uc_reg_read(uc, UC_X86_REG_EDX, &r_edx);
      uc_reg_read(uc, UC_X86_REG_XMM0, &r_xmm0);
      printf(">>> ECX = 0x%x\n", r_ecx);
      printf(">>> EDX = 0x%x\n", r_edx);
      printf(">>> XMM0 = 0x%.16"PRIx64"%.16"PRIx64"\n", r_xmm0[1], r_xmm0[0]);
  
      // 读取内存中的内容
      if (!uc_mem_read(uc, ADDRESS, &tmp, sizeof(tmp)))
          printf(">>> Read 4 bytes from [0x%x] = 0x%x\n", ADDRESS, tmp);
      else
          printf(">>> Failed to read 4 bytes from [0x%x]\n", ADDRESS);
  
      // 最后需要关闭，否则会导致内存泄露
      uc_close(uc);
  }
  
  int main(){
      test_i386();
      return 0;
  }
  

  编辑Makefile进行编译：

  LDFLAGS += $(shell pkg-config --libs glib-2.0) -lpthread -lm -lunicorn
  
  all: test2
  %: %.c
  	$(CC) $(CFLAGS) $^ $(LDFLAGS) -o $@
  

  上面的Makefile等同于命令：

  cc  test2.c -L/usr/local/Cellar/glib/2.70.1/lib -L/usr/local/opt/gettext/lib -lglib-2.0 -lintl -lpthread -lm -lunicorn -o test2
  

  运行结果如下：

  Emulate i386 code
  >>> Tracing basic block at 0x1000000, block size = 0x6
  >>> Tracing instruction at 0x1000000, instruction size = 0x1
  >>> --- EFLAGS is 0x0
  >>> Tracing instruction at 0x1000001, instruction size = 0x1
  >>> --- EFLAGS is 0x4
  >>> Tracing instruction at 0x1000002, instruction size = 0x4
  >>> --- EFLAGS is 0x10
  >>> Emulation done. Below is the CPU context
  >>> ECX = 0x1235
  >>> EDX = 0x788f
  >>> XMM0 = 0x00112233445566778899aabbccddeeff
  >>> Read 4 bytes from [0x1000000] = 0xf664a41
  

Go

• Go语言需要安装packge

  go get github.com/unicorn-engine/unicorn/bindings/go/unicorn
  

• 示例代码如下

  package main
  
  import (
  	"fmt"
  	"github.com/unicorn-engine/unicorn/bindings/go/unicorn"
  )
  
  func main()  {
  	un,_:=unicorn.NewUnicorn(unicorn.ARCH_X86,unicorn.MODE_32)
  	code := []byte{184,210,4,0,0} // mov eax,1234
  	un.MemMap(0x1000,0x1000)
  	un.MemWrite(0x1000,code)
  	err:=un.Start(0x1000,0x1000+uint64(len(code)))
  	if err!=nil{
  		panic(err)
  	}
  	eax,_:=un.RegRead(unicorn.X86_REG_EAX)
  	fmt.Println(eax)
  }
  

  最终输出结果：1234。注意这里是十进制

其他unicorn示例

还有其他更多的python示例，也包含其他编程语言的示例，其中Go、Java、ruby、rust、pascal等的示例代码，可以参考链接：

unicorn/bindings at master · unicorn-engine/unicorn

API参考

C语言函数定义在unicorn.h头文件中，Python函数定义在unicorn_const.py和unicorn.py中，函数和定义简短，用时再看也来得及。

总结

简单来说，可以把unicorn理解成一个CPU，把需要执行的代码片段和内存空间布局好，unicorn会执行代码片段，并返回结果。unicorn可以模拟执行多种架构的指令，比如ARM、x86、MIPS等，并且有多种语言的API接口，其中我比较喜欢用的是Python、C和Go，可以根据自己喜欢的语言基于unicorn进行开发，写出自己的一些工具，比如fuzzer、恶意代码分析工具、二进制插桩、加密算法分析等。