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OLLVM-控制流平坦化

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2024/03/15

OLLVM-控制流平坦化

建议结合代码后的注释食用！

炸毛芙

第一步：保存基本块

控制流1

第二步：创建分发块和返回块

控制流2

第三步：实现分发块调度

控制流3

第四步：实现调度变量的自动调整

控制流4

第五步：修复PHI指令和逃逸变量

控制流5

代码：

FLattening.cpp

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#include "llvm/IR/Function.h"
#include "llvm/Pass.h"
#include "llvm/IR/LegacyPassManager.h"
#include "llvm/Transforms/IPO/PassManagerBuilder.h"
#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
#include "llvm/IR/Instructions.h"
#include "llvm/Transforms/Utils.h"
#include "llvm/Support/CommandLine.h"
#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
#include "SplitBasicBlock.h"
#include "Utils.h"
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace llvm;
using std::vector;
namespace{
    class Flattening :public FunctionPass{
        public :
            static char ID;
            
            Flattening():FunctionPass(ID){
                srand(time(0));
            }
            void flatten(Function &F);
            bool runOnFunction(Function &F);

    };

}
bool Flattening::runOnFunction(Function &F){
    INIT_CONTEXT(F);
    FunctionPass * pass =createSplitBasicBlockPass();
    pass->runOnFunction(F);
    flatten(F);
    return true;
}
void Flattening::flatten(Function &F){
    //第一步,保存除了入口块的基本块
    vector<BasicBlock*> origBB;//创建一个容器
    for(BasicBlock& BB:F){
        origBB.push_back(&BB);
    }//保存所有基本快
    origBB.erase(origBB.begin());//移除第一个基本块
    BasicBlock &entryBlock=F.getEntryBlock();//获取入口块
    if(BranchInst *br=dyn_cast<BranchInst>(entryBlock.getTerminator())){
        if(br->isConditional()){//判断是不是条件跳转
            origBB.insert(origBB.begin(),entryBlock.splitBasicBlock(br));//是条件跳转，单独拎出来作为新的基本块
        }
    }
    //第二步，创建分发块和返回块
    BasicBlock *dispatchBB=BasicBlock::Create(*CONTEXT,"dispatchBB",&F,&entryBlock);//创建分发块
    BasicBlock *retBB=BasicBlock::Create(*CONTEXT,"retBB",&F,&entryBlock);//创建返回块
    entryBlock.moveBefore(dispatchBB);//移动入口块到最前面
    entryBlock.getTerminator()->eraseFromParent();//踢掉入口块原来的跳转
    BranchInst::Create(dispatchBB,&entryBlock);//入口块绝对跳转到分发快
    BranchInst::Create(dispatchBB,retBB);//返回块到分发块

    //第三部，实现分发块的调度功能
    int randNumcase=rand();//rand参数
    AllocaInst * swVarPtr =new AllocaInst(TYPE_I32,0,"swVar.ptr",entryBlock.getTerminator());//入口块创建alloca指令，插入到入口块终结指令前
    new StoreInst(CONST_I32(randNumcase),swVarPtr,entryBlock.getTerminator());//对switch变量进行初始化
    LoadInst *swVar=new LoadInst(TYPE_I32,swVarPtr,"swVAR",dispatchBB);//添加switch指令
    BasicBlock *defaultBB = BasicBlock::Create(*CONTEXT,"defaultBB",&F,retBB);//创建一个返回块前的基本块
    BranchInst::Create(retBB,defaultBB);  //基本块肯定要有一条终结指令，所以这里随便添加一条跳转指令
    SwitchInst *swInst=SwitchInst::Create(swVar,defaultBB,0,dispatchBB);//插入到分发块的后面

    //为每个基本块分配随机的case值
    for(BasicBlock *BB:origBB){
        BB->moveBefore(retBB);//移动到返回块前面
        swInst->addCase(CONST_I32(randNumcase),BB);//保存随机数
        randNumcase=rand();//重新生成随机数

    }
    //第四步 实现调度变量自动调整
    for(BasicBlock *BB:origBB){
        if(BB->getTerminator()->getNumSuccessors()==0){//如果这个基本块的最后一条指令是返回指令(没有后继快)
            continue;
        } else if(BB->getTerminator()->getNumSuccessors()==1){//如果这个基本块还有一个后继块(即为绝对跳转) 
            ConstantInt *numcase = swInst->findCaseDest(BB->getTerminator()->getSuccessor(0));//找到对应的case值
            new StoreInst(numcase,swVarPtr,BB->getTerminator());//修改swicth中的参数，修改为对应case
            BB->getTerminator()->eraseFromParent();//原先的跳转删除
            BranchInst::Create(retBB,BB);//添加跳转
        }else if(BB->getTerminator()->getNumSuccessors()==2){ //有两个后继块
             ConstantInt *numcase1 = swInst->findCaseDest(BB->getTerminator()->getSuccessor(0));
             ConstantInt *numcase2 = swInst->findCaseDest(BB->getTerminator()->getSuccessor(1));//全找了
             BranchInst *br1=cast<BranchInst>(BB->getTerminator()); //两个分支也有可能是switch指令，但是在混淆前，使用LLVM IR指令 (使用自带的 LowerSwitch的LLVM Pass)，将switch替换成了branch，所以这里最后一条指令只能是branch
             SelectInst *sel=SelectInst::Create(br1->getCondition(),numcase1,numcase2,"",BB->getTerminator());//三元运算符，找到对应的case
             new StoreInst(sel,swVarPtr,BB->getTerminator());//保存在switch变量
            BB->getTerminator()->eraseFromParent(); //原先的跳转删除
             BranchInst::Create(retBB,BB);//添加
        }
    }
    //第五步 修复 phi指令和逃逸变量
    fixStack(F);
}

char Flattening::ID=0;
static RegisterPass<Flattening>X("fla","My control flow flattening obfuscation");

Utils.cpp

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#include"Utils.h"
#include<vector>
#include "llvm/IR/Instructions.h"
#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
#include "llvm/Transforms/Utils/ValueMapper.h"
#include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
using std::vector;
using namespace llvm;
LLVMContext *CONTEXT=nullptr;
//第五步 修复PHI指令和逃逸变量
void llvm::fixStack(Function &F){
    vector<PHINode*> origPHI;
    vector<Instruction*> origReg;
    BasicBlock &entryBB=F.getEntryBlock();
    for(BasicBlock &BB:F){
        for (Instruction &I:BB)
        {
            if(PHINode *PN=dyn_cast<PHINode>(&I)){
                origPHI.push_back(PN);
            }else if(!(isa<AllocaInst>(&I)&& I.getParent()==&entryBB)&& I.isUsedOutsideOfBlock(&BB)){//判断是不是逃逸变量(除了通过Alloc，并且定义在入口块的，都要处理)
                origReg.push_back(&I);
            }
        }
        
    }
    for(PHINode *PN:origPHI){
        DemotePHIToStack(PN,entryBB.getTerminator());//修复PHI指令
    }
    for(Instruction *I:origReg){
        DemoteRegToStack(*I,entryBB.getTerminator());//修复逃逸变量
    }
}

Utils.h

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#ifndef _UTILS_H_
#define _UTILS_H_

#include "llvm/IR/Function.h"
#define INIT_CONTEXT(X) CONTEXT = &X.getContext()
#define TYPE_I64 Type::getInt64Ty(*CONTEXT)
#define TYPE_I32 Type::getInt32Ty(*CONTEXT)
#define TYPE_I8 Type::getInt8Ty(*CONTEXT)
#define GET_TYPE(X) TYPE::getInt(X) Ty(*CONTEXT)
#define CONST_I64(V) ConstantInt::get(TYPE_I64, V, false)
#define CONST_I32(V) ConstantInt::get(TYPE_I32, V, false)
#define CONST_I8(V) ConstantInt::get(TYPE_I8, V, false)
#define CONST(T, V) ConstantInt::get(T, V)
#define RANDOM(X) (cryptoutils->get_uint8_t() % 100 < X)
extern llvm::LLVMContext *CONTEXT;

namespace llvm{
    void fixStack(Function &F);
    BasicBlock* createCloneBasicBlock(BasicBlock *BB);
}

#endif

原文作者：Straw

原文链接：https://straw-233.github.io/2024/03/15/OLLVM-%E6%8E%A7%E5%88%B6%E6%B5%81%E5%B9%B3%E5%9D%A6%E5%8C%96/

发表日期：March 15th 2024, 9:06:43 pm

更新日期：March 15th 2024, 9:13:29 pm

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. OLLVM-控制流平坦化
    1. 1.0.0.1. 第一步：保存基本块
    2. 1.0.0.2. 第二步：创建分发块和返回块
    3. 1.0.0.3. 第三步：实现分发块调度
    4. 1.0.0.4. 第四步：实现调度变量的自动调整
    5. 1.0.0.5. 第五步：修复PHI指令和逃逸变量
    6. 1.0.0.6. 代码：
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