基于VMware的反虛擬機環(huán)境檢測技術(shù)研究

朱永強 湯雄

摘要：VMware虛擬機因其良好的用戶體驗及便捷的功能，被廣泛應(yīng)用于云計算平臺搭建、惡意代碼分析等技術(shù)領(lǐng)域。因此，部分惡意代碼專門增加了VMware環(huán)境檢測功能，以發(fā)現(xiàn)自身是否運行在VMware虛擬環(huán)境。針對惡意代碼在VMware環(huán)境下的虛擬環(huán)境檢測技術(shù)，分析了VMware虛擬機環(huán)境的檢測原理及優(yōu)缺點，提出了一套VMware環(huán)境下的反虛擬環(huán)境檢測方法，以欺騙惡意軟件的VMware環(huán)境檢測功能，提升基于VMware仿真的惡意代碼分析準確性。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：VMware；虛擬機；虛擬機環(huán)境檢測；虛擬機穿透

DOIDOI：10.11907/rjdk.161300

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007017003

基金項目基金項目：科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目（10C26215122841）

0引言

虛擬化技術(shù)是指通過分割計算機硬件資源（如CPU、內(nèi)存、輔存等），使得一臺物理機上可以運行多個操作系統(tǒng)環(huán)境，從而提供更靈活高效的硬件資源分配技術(shù)。該技術(shù)最早由IBM在20世紀60年代初實現(xiàn)。虛擬化技術(shù)發(fā)展到今天，出現(xiàn)了多種虛擬化平臺，如XEN、KVM、VMware等。其中，VMware由于良好的性能及便捷的功能支持得到了廣泛應(yīng)用。

由于帶有快照還原功能以及物理隔離功能，虛擬化技術(shù)對惡意代碼分析人員是非常有用的工具，可以在保護本機不受侵害的情況下，對惡意代碼的實際行為進行有效的監(jiān)控，并且可以通過快照功能訊速恢復(fù)系統(tǒng)，因此，此技術(shù)的博弈也隨之展開[1]。一些惡意代碼編寫人員在其惡意程序中加入虛擬環(huán)境檢測功能，一旦程序發(fā)現(xiàn)自身處于虛擬環(huán)境中，則可能休眠或者改變行為策略，甚至破壞虛擬機環(huán)境[2]。因此，在利用虛擬機進行惡意代碼分析的同時，了解惡意代碼的虛擬環(huán)境檢測技術(shù)并對其檢測功能進行防范，是信息安全工作人員重要工作之一。

本文針對常用的虛擬化平臺VMware，分析并總結(jié)了VMware平臺下常用的虛擬環(huán)境檢測技術(shù)原理及相應(yīng)工具，在此基礎(chǔ)上，提出了一套VMware環(huán)境下的反虛擬機環(huán)境檢測策略，用以提高虛擬機環(huán)境下惡意代碼分析的準確性，探討了該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。

1基于VMware的虛擬機環(huán)境檢測技術(shù)

本節(jié)基于VMware平臺，歸納并總結(jié)了VMware虛擬機環(huán)境下常用的虛擬環(huán)境檢測技術(shù)原理[26]，并介紹了相應(yīng)工具。

1.1基于字符特征的VMware環(huán)境檢測方法

由于VMware環(huán)境只是實現(xiàn)了對硬件的虛擬，并沒有真正實現(xiàn)對硬件與操作系統(tǒng)的完整仿真。因此，VMware虛擬機的進程、文件系統(tǒng)、注冊表中包含很多VMware的特殊標識，比如VMware虛擬機系統(tǒng)信息的制造商顯示為VMware Inc.，而非真實的計算機制造商。在VMware虛擬機操作系統(tǒng)的注冊表內(nèi)，也有一些帶有VMware特殊表示的鍵值，比如在虛擬操作系統(tǒng)WindowsXP中的注冊表項中，包含有名稱為_#VmwareVirtualPrinter的鍵，而真實的操作系統(tǒng)中并不存在此鍵。此外，據(jù)統(tǒng)計，VMware環(huán)境下有超過50個包含“VMware”和“vmx”的引用存在于文件系統(tǒng)中，有超過300 個包括“VMware”的引用存在于系統(tǒng)的注冊表中。

針對這些差異，可以收集這一類出現(xiàn)在特別位置的“特征字符串”，形成針對VMware環(huán)境的指紋庫，并通過字符串搜索與匹配的方式，實現(xiàn)對VMware虛擬機環(huán)境的檢測。

但該方法存在以下缺陷：①這些特征字符串的分布不具有通用性，較難形成通用的、系統(tǒng)的檢測理論；②暴力搜索方法不僅性能較低，還會造成較高的誤報；③這種方法也可以通過Rootkit等技術(shù)[7]進行欺騙。

1.2基于虛擬硬件的VMware環(huán)境檢測方法

VMware環(huán)境下虛擬出的硬件也往往包含有特殊特征，使其成為檢測VMware環(huán)境的檢測因素之一。VMware環(huán)境下，其網(wǎng)卡的Mac地址的前24位往往是00-0C-29、00-05-69或00-50-56 ，此外，VMware VGA 適配器、USB 控制器的類型、SCSI設(shè)備的類型往往都包含有VMware 特定的標記。概括來說，此方法一定程度上也屬于基于特征字符串的檢測方法。

Tobias Klein實現(xiàn)的工具DOO就是利用搜索虛擬環(huán)境下特殊的虛擬硬件標識來檢測虛擬機環(huán)境。DOO工具在Linux環(huán)境下主要搜尋I0、port以及SCSI等相關(guān)目錄下的“VMware”特征串，而在Windows下則重點搜索注冊表中SCSI適配器和VMware硬件類號的鍵值。

1.3通過特殊指令特征檢測VMware環(huán)境的方法

使用特殊指令SIDT、SLDT與SGDT等與返回值差異性的檢測方法對比，其依據(jù)的原理為此類指令的返回值，在虛擬機環(huán)境與真實操作系統(tǒng)環(huán)境中有著較大差別。通過獲取寄存器基值，觀測它是否超過某一傳統(tǒng)閾值，即可判斷是否處于虛擬機環(huán)境。

以SIDT指令為例，此指令用來獲取中斷描述表（Interrupt Descriptor Table）的位置，IDT在VMware環(huán)境的寄宿系統(tǒng)中一般位于在附近，而在實際操作系統(tǒng)中，一般位于附近，對比這種差異性，即可判斷程序是否運行在VMware虛擬機中。

該方法的缺陷：①SIDT在多處理器環(huán)境下容易誤報，相比較之下，SLDT在多處理器環(huán)境下的效果要好些；②VMware環(huán)境下開啟禁止加速模式后，VMware虛擬機會對ring3 層指令進行二進制翻譯，因此在此模式下對此類指令進行干預(yù)會使檢測方法失效。

1.4通過VMware穿透信道檢測VMware環(huán)境的方法

為了保證虛擬機系統(tǒng)的性能與易用性，往往會犧牲一些虛擬機環(huán)境對Guest OS的透明性，比如VMware提供的 communication channel功能，此功能用來實現(xiàn)主機與客操作系統(tǒng)之間的穿透與通信，以提供VMware對GUI性能的優(yōu)化，主操作系統(tǒng)與客操作系統(tǒng)之間的剪切板、文件拖動等功能，為VMware虛擬機環(huán)境識別提供了可能。

VMware 通過攔截I/O 的IN 指令來實現(xiàn)虛擬機穿透功能。由于IN 指令屬于特權(quán)指令，因此當運行在ring3 上的操作系統(tǒng)執(zhí)行IN 指令時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個異常，而運行在虛擬機中的客操作系統(tǒng)則不會產(chǎn)生。如果程序運行在VMware 之外，則會拋出一個處理器錯誤，利用此原理，即可檢測程序是否運行在VMware虛擬機環(huán)境中。

該方法缺陷為：使用的通信信道是VMware的高級功能，并不是必需功能，因此關(guān)閉此功能后，這種檢測方法將失效，而此功能關(guān)閉本身卻不會對VMware虛擬機的使用產(chǎn)生過大影響。

2基于VMware環(huán)境的反虛擬機檢測

根據(jù)前文對VMware虛擬機環(huán)境檢測技術(shù)的分析，總結(jié)了一組VMware環(huán)境下的反虛擬機環(huán)境檢測方法[26]，以防止惡意代碼對虛擬機環(huán)境的有效檢測。

2.1反特征字符串檢測VMware環(huán)境方法

反特征字符串檢測VMware環(huán)境方法主要是獲取操作系統(tǒng)特定位置的參數(shù)值，再通過對這些參數(shù)值進行特征串匹配來完成虛擬機環(huán)境的檢測。通過以下手段根據(jù)具體應(yīng)用情況進行反虛擬環(huán)境檢測：①利用Rootkit技術(shù)隱藏這些特征字符串痕跡，使其不被發(fā)現(xiàn)；②通過Hook 技術(shù)鉤掛系統(tǒng)文件、進程、注冊表、服務(wù)等的查詢函數(shù)也可以有效躲避此種檢測方法。

2.2反虛擬硬件檢測VMware環(huán)境

VMware環(huán)境下，虛擬硬件的各類參數(shù)可以便捷地通過配置文件重新設(shè)定修改，因此對基于虛擬硬件特征的虛擬環(huán)境檢測可通過以下方式進行反檢測：①通過修改VMware配置文件，修改虛擬硬件配置參數(shù)，如MAC地址；②修改敏感部位的注冊表鍵值，將帶有VMware標識的鍵值抹去或者修改。

基于SIDT、SGDT、SLDT等特殊指令對VMware環(huán)境進行檢測的防范措施有：

（1）在VMware環(huán)境下開啟禁止加速模式，再通過代碼對此類指令的返回值進行干預(yù)。

（2）通過Hook技術(shù)對SIDT、SGDT、SLDT等指令掛鉤，一旦發(fā)現(xiàn)可疑程序調(diào)用這些指令，則自動將相應(yīng)的寄存器和內(nèi)存地址修改為真實操作系統(tǒng)的合理地址，以達到欺騙虛擬檢測程序的目的。

2.4反穿透信道檢測VMware環(huán)境

通過修改VMware虛擬機相應(yīng)的配置文件，可以禁止虛擬機與物理機之間的穿透指令，以預(yù)防針對VMware穿透指令的檢測。

關(guān)閉VMware穿透信道的配置選項如下[3]：

設(shè)置了這些參數(shù)會關(guān)閉VMware 相應(yīng)的一些功能， 但這些功能在進行惡意程序分析與仿真時并不是必須功能，一般不會對惡意代碼的分析與研究工作造成影響。

3結(jié)語

本文針對VMware虛擬機環(huán)境，分析了該環(huán)境下常見的虛擬機環(huán)境檢測技術(shù)及對應(yīng)的檢測工具，并在分析各種檢測技術(shù)原理與缺點的基礎(chǔ)上，提出了一組VMware下反虛擬機環(huán)境檢測方法，以提高利用VMware虛擬機進行惡意程序仿真時的準確率。由于虛擬機環(huán)境可檢測的根本原因是虛擬化系統(tǒng)本身為提升性能與效率，造成虛擬化系統(tǒng)對客操作系統(tǒng)的不透明性。因此，該技術(shù)領(lǐng)域除了虛擬機環(huán)境檢測與反檢測的技術(shù)博弈外，如何加強虛擬機環(huán)境本身的安全架構(gòu)，降低虛擬化系統(tǒng)本身的不透明，也是該領(lǐng)域的一個重要研究方向。

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