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我們知道，我們平時編程寫的高級語言，是經(jīng)過編譯器編譯以后，變成了CPU可以執(zhí)行的機(jī)器指令：

而CPU能支持的指令，都在它的指令集里面了。很久以來，我都在思考一個問題：CPU有沒有未公開的指令？或者說：CPU有沒有隱藏的指令？為什么會有這個問題？平常我們談?wù)摼W(wǎng)絡(luò)安全問題的時候，大多數(shù)時候都是在軟件層面。談應(yīng)用程序的漏洞、后端服務(wù)的漏洞、第三方開源組件的漏洞乃至操作系統(tǒng)的漏洞。但很少有機(jī)會去觸及硬件，前幾年爆發(fā)的熔斷和幽靈系列漏洞，就告訴我們，CPU也不是可信任的。要是CPU隱藏有某些不為人知的指令，這是一件非?？膳碌氖虑?。如果某一天，某些國家或者某些團(tuán)體組織出于某種需要，利用這些隱藏的指令來發(fā)動攻擊，后果不堪設(shè)想。雖然想到過這個問題，但我一直沒有付諸實(shí)踐去認(rèn)真的研究。直到前段時間，有一位老師分享了一份PDF給我，解答了我的疑惑。這份PDF內(nèi)容是2017年頂級黑客大會Black Hat上的一篇報告：《us-17-Domas-Breaking-The-x86-ISA》，作者是大神：@xoreaxeaxeax，熟悉匯編的同學(xué)知道這名字是什么意思嗎？

這份PDF深度研究了x86架構(gòu)CPU中隱藏的指令，原報告因?yàn)槭怯⑽模雌饋碛行┗逎?，這篇文章，我嘗試用大家易懂的語言來給大家分享一下這篇非常有意思的干貨。有些人會問：真的會有隱藏指令的存在嗎，CPU的指令集不是都寫在指令手冊里了嗎？我們以單字節(jié)指令為例，單字節(jié)的范圍是0x00-0XFF，總共256種組合，Intel的指令手冊中是這樣介紹單字節(jié)指令的：

橫向?yàn)閱巫止?jié)的高四位，縱向?yàn)閱巫止?jié)的低四位，順著表格定位，可以找到每一個單字節(jié)指令的定義。比如我們常見的nop指令的機(jī)器碼是0x90，就是行為9，列為0的那一格。但是不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，這張表格中還有些單元格是空的，比如0xF1，那CPU拿到一個為0xF1的指令，會怎么執(zhí)行呢？指令手冊沒告訴你。這篇報告的主要內(nèi)容就是告訴你，如何去尋找這些隱藏的指令。

指令集的搜索空間

想要找到隱藏的指令，得先明確一個問題：一條指令到底有多長，換句話說，有幾個字節(jié)，我們應(yīng)該在什么樣的一個范圍內(nèi)去尋找隱藏指令。如果指令長度是固定的，比如JVM那樣的虛擬機(jī)，那問題好辦，直接遍歷就行了。但問題難就難在，x86架構(gòu)CPU的指令集屬于復(fù)雜指令集CISC，它的指令不是固定長度的。有單字節(jié)指令，比如：

90 nopCC int 3C3 ret

也有雙字節(jié)指令，比如：

8B C8 mov ecx,eax6A 20 push 20h

還有三四節(jié)、四字節(jié)、五字節(jié)···最長能有十幾個字節(jié)，比如這條指令：

指令：lock add qword cs:[eax + 4 * eax + 07e06df23h], 0efcdab89h機(jī)器碼：2e 67 f0 48 818480 23df067e 89abcdef

一個字節(jié)、兩個字節(jié)，甚至三個四個遍歷都還能接受，4個字節(jié)最多也就42億多種組合，對于計算機(jī)來說，也還能接受。但越往后，容量是呈指數(shù)型增長，這種情況再去遍歷，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

指令搜索算法

這份報告中提出了一種深度優(yōu)先的搜索算法：

該算法的指導(dǎo)思想在于：快速跳過指令中無關(guān)緊要的字節(jié)。

怎么理解這句話？比如壓棧的指令push，下面幾條雖然字節(jié)序列不同，但變化的只是數(shù)據(jù)，其實(shí)都是壓棧指令，對于這類指令，就沒必要花費(fèi)時間去遍歷：

68 6F 72 6C 64 push 646C726Fh

68 6F 2C 20 77 push 77202C6Fh

68 68 65 6C 6C push 6C6C6568h

第一個字節(jié)68就是關(guān)鍵字節(jié)，后面的四個字節(jié)都是壓入棧中的數(shù)據(jù)，就屬于無關(guān)緊要的字節(jié)。如果能識別出這類，快速跳過，將能夠大面積減少需要遍歷的搜索空間。上面只是一個例子，如何能夠系統(tǒng)化的過濾掉這類指令呢？報告中提出了一個方案：

觀察指令中的有意義的字節(jié)，它們對指令的長度和異常表現(xiàn)會產(chǎn)生沖擊。又該怎么理解這句話？還是上面那個例子，當(dāng)嘗試修改第一個字節(jié)68的時候，這一段二進(jìn)制序列可能就完全變成了別的指令，甚至指令長度都會發(fā)生變化（比如把68改成90，那就變成了一個字節(jié)的nop指令），那么就認(rèn)為這第一個字節(jié)是一個有意義的字節(jié)，修改了它會對指令的長度產(chǎn)生重要影響。反之，如果修改后面字節(jié)的數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)這仍然是一條5個字節(jié)的壓棧指令，長度沒變化，也沒有其他異常行為表現(xiàn)與之前不同，那么就認(rèn)為后面幾個字節(jié)是無關(guān)緊要的字節(jié)。在這個指導(dǎo)思想下，我們來看一個例子：從下面這一段數(shù)據(jù)開始出發(fā)：

我們從兩個字節(jié)的指令開始遍歷：

把最后那個字節(jié)的內(nèi)容+1，嘗試去執(zhí)行它：

發(fā)現(xiàn)指令長度沒有變化，那就繼續(xù)+1，再次嘗試執(zhí)行它：

一直這樣加下去，直到發(fā)現(xiàn)加到4的時候，指令長度發(fā)生了變化，長度超過了2（但具體是多少還不知道，后文會解釋）：

那么在這個基礎(chǔ)上，長度增加1位，以指令長度為3的指令來繼續(xù)上面的探索過程：從最后一位開始+1做起。

隨著分析的深入，梳理一下指令搜索的路徑圖：

當(dāng)某一條的最后一個字節(jié)遍歷至FF時，開始往回走（就像遞歸，不能一直往下，總有回去的時候）：

往回走一個字節(jié)，將其+1，繼續(xù)再來：

按照這個思路，整個要搜索的指令空間壓縮到可以接受遍歷的程度：

如何判定指令長度

現(xiàn)在來解答前面遺留的一個問題。上面這個算法能夠工作的一個重要前提是：我們得知道，給末尾字節(jié)+1后，有沒有影響指令的長度。要判斷某個字節(jié)是不是關(guān)鍵字節(jié)，就得知道這個字節(jié)的內(nèi)容變化，會不會影響到指令長度，所以如果無法判斷長度有沒有變化，那上面的算法就無從談起了。所以如何知道長度有沒有變化呢？報告中用到了一個非常巧妙的方法。假設(shè)我們要評估下面這一串?dāng)?shù)據(jù)，前面開頭到底多少個字節(jié)是一條完整指令。

可能第一個字節(jié)0F就是一條指令。也可能前面兩個字節(jié)0F 6A是一條指令。還可能前面五個字節(jié)0F 6A 60 6A 79 6D是一條指令。到底是什么情況，我們不知道，讓我們用程序來嘗試推導(dǎo)出來。準(zhǔn)備兩個連續(xù)的內(nèi)存頁面，前面一個擁有可執(zhí)行的權(quán)限，后面一個不能執(zhí)行。

記?。寒?dāng)CPU發(fā)現(xiàn)指令位于不可執(zhí)行的頁面中時，它會拋異常！現(xiàn)在，在內(nèi)存中這樣放置上面的數(shù)據(jù)流：第一個字節(jié)放在第一個頁面的末尾位置，后面在字節(jié)放在第二個不可執(zhí)行的頁面上。

然后JMP到這條指令的地址，嘗試去執(zhí)行它，CPU中的譯碼器開始譯碼：

譯碼器譯碼發(fā)現(xiàn)是0F，不是單字節(jié)指令，還需要繼續(xù)分析后面的字節(jié)，繼續(xù)取第二個字節(jié)：

但注意，第二個字節(jié)是位于不可執(zhí)行的頁面，CPU檢查發(fā)現(xiàn)后會拋出頁錯誤異常：

如果我們發(fā)現(xiàn)CPU拋了異常，并且異常的地址指向了第二個頁面的地址，那么我們可以斷定：這條指令的長度肯定不止一個字節(jié)。

既然不止一個字節(jié)，那就往前挪一下，放兩個字節(jié)在可執(zhí)行頁面，從第三個字節(jié)開始放在不可執(zhí)行頁面，繼續(xù)這個過程。

繼續(xù)上面這個過程，放三個字節(jié)在可執(zhí)行頁面：

四個：

當(dāng)放了四個字節(jié)在可執(zhí)行頁面之后，事情發(fā)生了變化：指令可以執(zhí)行了！雖然也拋了異常（因?yàn)樘熘肋@是個什么指令，會拋什么異常），但頁錯誤的地址不再是第二個頁面的地址了！

有了這個信號，我們就知道，前面4個字節(jié)是一條完整的指令：

挖掘隱藏指令

現(xiàn)在核心算法和判斷指令長度的方法都介紹完了，可以正式來開挖，挖出那些隱藏的指令了！以一臺Intel Core i7的CPU為目標(biāo)，來挖一挖：

挖掘成果，收獲頗豐：

這些都是Intel指令集手冊中未交待，但CPU卻能執(zhí)行的指令。然后是AMD Athon的CPU：

挖掘成果：

那這些隱藏的指令是做什么的呢？有些已經(jīng)被逆向工程分析了。還有的就是毫無記錄，只有Intel/AMD自己人知道了，誰知道它們用這些指令是來干嘛的？軟件即便是開源都能爆出各種各樣的問題，何況是黑盒一樣的硬件。CPU作為計算機(jī)中的基石，它要是出了問題，那可是大問題。我不是陰謀論，害人之心不可有，但防人之心不可無。看完這些，我對國產(chǎn)、安全、自主可控這幾個字的理解又加深了一層。

審核編輯：李倩

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