无符号Golang程序逆向方法解析

在去年的inctf2018中，出现了一道Go语言编写的进程通信逆向题，无论是从题目整体设计还是解题思路上来说都独树一帜，自己在解题过程中遇到了很多问题，但我这不打算做过多探讨，网上也有大佬的解题过程，本文仅针对该题涉及到的无符号Go语言恢复信息问题进行详细讨论。

前言

在整个后期整理过程中，自己参考了很多资料，现放出所有链接，下文中也会有对应的说明。

• 奈沙夜影师傅的题解
• 分析静态编译无符号文件的方法
• Go语言逆向去符号信息还原
• reversing_go_binaries_like_a_pro
• 手把手教你如何专业地逆向GO二进制程序
• IDAGolangHelper
• diaphora
• IDA F.L.I.R.T. Technology: In-Depth
• IDA7.0 IDAPython MakeStr Bug fix
• angr源码分析——库函数识别identify
• golang语言编译的文件大小解析
• golang编译去符号信息逆向
• go语言学习-常用命令

 

初步分析

首先用file命令简单查看下文件类型，发现是64位的，由题目名也能猜出是和go语言有关的逆向题，但是发现虽然是动态链接的，但是无符号，这是比较坑的，心中有点小怕。

$ file ../ultimateGOal
../ultimateGOal: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2, stripped

那么用ida打开之后，由于没有符号的原因，我们并不能找到主函数的位置，不熟悉go语言逆向的同学可能会不清楚go语言逆向的入口，那么简单说明一下。

简单demo测试

对下面这个简单的go语言例子而言，我们在进行编译go程序的时候，会生成可执行文件，而go程序需要满足2个条件：

1. go程序中需要包含main包
2. 在main包中还必须包含main函数

package main
import  "fmt"  
func main() {
  fmt.Println("Hello World!")
}

也就是说go语言的入口点是main.main（真正的入口点），即是main包下的main函数。对这个demo，我们编译之后用ida打开查看，搜索主函数，当确定了主函数入口时，尝试反编译代码，缺发现失败，如下图所示：

给出的提示是Size of 'int' is 8 (4 expected)，对于这种错误，通过选项中的编译设置，修改整型的字长大小即可解决问题，如下图所示。

得到如下的代码：

void __cdecl main_main()
{
  __int64 v0; // rdx
  error_0 v1; // di
  __interface_{} ST00_24_2; // ST00_24
  __interface_{} v3; // [rsp+30h] [rbp-18h]
  void *retaddr; // [rsp+48h] [rbp+0h]

  while ( (unsigned __int64)&retaddr <= *(_QWORD *)(__readfsqword(0xFFFFFFF8) + 16) )
    runtime_morestack_noctxt();
  v3.array = (__DIE_10518_interface_{} *)&r3;
  v3.len = (__int64)&main_statictmp_0;
  ST00_24_2.array = (__DIE_10518_interface_{} *)&v3;
  ST00_24_2.len = 1LL;
  ST00_24_2.cap = 1LL;
  fmt_Println(ST00_24_2, v1, v0);
}

对于ida反编译出的go语言代码，可读性较差，类型转换较多，结构体较复杂，异常处理比较冗长，对于main_statictmp_0这个结构体，在go语言中包括了2部分，分别是字符串偏移量和字符串长度，这个结构体所指向的是string <offset unk_4B317B, 0Dh>，指出了字符串的偏移量和长度，长度是0xd（即”Hello World!”的长度），另外go语言中所有字符串都是放在一起的，所以偏移量和长度是很关键的，如下图所示：

 

解决无符号的问题

对于上文那个demo而言，是有符号的程序，逆向起来有信息可以参考，大大加快了逆向的速度，但是对这道题而言，是无符号的，无符号的程序逆向起来由于不知道函数的功能，会特别饶，很容易把人绕进去。如下图所示：

当然也有人能纯静态分析出来，比如奈沙夜影师傅，参考最上面贴出来的链接，使用动态调试结合黑盒测试的方法Orz。师傅也自嘲道：Go语言的逆向感觉目前没啥方便的工具，只能硬怼汇编，缺少符号的情况下还是有点麻烦的，等一个师傅们的指教，这个题目我是纯黑盒调试出来的。针对这个问题，自己参考了几篇博文，收集了一些方法，供参考。

从签名角度出发

众所周知，签名是对函数、第三方库很好的检测方式，通过签名，ida很容易能分析出函数的名称，从而大概知道函数的作用。由于没有官方的签名库，所以这需要自己制作，参考了diffway@兰云科技银河实验室的方法，论述如下：

idb2pat.py+sigmake制作签名

idb2pat.py是火眼公司FireEye Labs Advanced Reverse Engineering团队编写的脚本，代码在GitHub上开源，该脚本主要通过CRC16的方式来计算每个函数块的特性，从而来识别不同的函数。这点也和IDA官方对签名文件的说明相符合，参见IDA F.L.I.R.T. Technology: In-Depth。

通过生成pat文件后，再使用ida SDK中提供的sigmake工具来生成相应的sig签名文件，将其复制到ida安装目录下的sigpc目录，然后我们在ida中就可以载入签名进行识别。在2088个函数中，识别出1271个函数，但是不是每个识别出的函数都能有效的命名，所以实际识别出的函数个数也就600左右，识别率较低，而且只能识别出被制作签名的程序所带的包，如果另一个程序使用了其他的包，那将无法识别，拓展性较低。

bindiff或者diaphora对比

通过bindiff或者diaphora来对比不同是ida数据库，以获取函数的特征也是种很好的方法，这种方法在平时分析静态链接的程序也很有用。但是存在的问题也很明显，由于diaphora是python编写的，所以运行速度是肉眼可见的慢，对于1000数量级的函数保存到数据库中竟然也要3分钟左右，保存完之后，再分析对比的时候，需要更多时间，效率很低。当数据完成对比之后，我们得到情况如下图所示：

主要分为五栏：完全匹配、部分匹配、只在第一个数据库出现的、只在第二个数据库出现的以及不可靠匹配的。对我们来说，我们只需要关注匹配率高的即可，所以我们首选对完全匹配中的函数进行重命名，方法很简单，就是选中所有的完全匹配的函数，然后右键导入即可。
该方法的主要问题是速度太慢，不管是在前期初始化数据库的时候，还是后面重命名函数的时候，非常卡顿。其次是对函数类别没有很好的区分度，如下图所示，同样都是运行时函数，对函数类别处理不好，也不能对主函数进行区别，和第一种方式一样，识别率不高，只能识别出被制作签名的程序所带的部分库函数。

Rizzo插件生成数据库识别

关于rizzo，可以参看GitHub上的介绍Rizzo，同样也是一种对ida数据库进行保存然后提取信息进行对比的工具，收录于devttys0的ida脚本目录中。自己也进行了测试，速度还可以。

Building Rizzo signatures, this may take a few minutes...
Generated 1314 formal signatures and 844 fuzzy signatures for 1784 functions in 10.64 seconds.
Saving signatures to C:UsersxxxxxxDesktop11111.riz... done.
Built signatures in 12.30 seconds

那么在保存完之后，载入riz文件进行测试，如下图所示。基本识别情况和上面2种方式差不多，也存在对原始文件的局部依赖性，所不同的是，这种方式不会误识别，而前面2种方式会产生很多未知的函数命名情况，歧义性较低。猜测是前面2种方法对模糊测试效果更好，第三种方式属于保守型的测试方法，会将极大概率的函数进行重命名，而较低的大概率函数则不会通过。

从Golang特性出发

上面的3种方法虽然能对部分函数进行识别，但是效果一半，前2种方法识别率大概有50%左右，第3种只有20%左右。且三者均不能对签名生成程序中没有的函数进行识别，也就是说连每个程序中的主函数都无法定位，因为每个程序中的主函数均不一致。下面将从Go语言的特性来解决这个问题。

GolangAssist脚本

在网上有一篇著名的go语言逆向解析博文，安全客中也有人提供了翻译，链接参见前言部分。该作者对golang的编译原理有着较深的理解，同时其提供了golang_loader_assist.py脚本用于还原符号信息，这对逆向而言真是再好也不为过了。但是这个脚本无法恢复Windows下编译的go程序，因为这个脚本中最重要的部分，是找到go语言程序中一个非常重要的段，叫做.gopclntab，在这个段中保存了函数的实际名称，而在Windows下编译的程序中则不存在这个段。
在这个脚本中最终的部分如下图所示：

首先通过get_segm_by_name('.gopclntab')来定位到.gopclntab段的首地址。然后寻找偏移量是8的地方，根据程序字长来创建指针，再接下来一个字长则给出了.gopclntab段的大小，这样我们就能开始逐个处理每条数据，对每条数据而言，其中都包含了一个函数指针和一个函数名字符串偏移量，循环处理这些数据就能对所有的函数名进行还原，得到带符号信息的函数名称。

在实际使用这个脚本进行测试的过程中，需要注意的是，由于ida7.0对sdk和api的大量更新和重新，在idapython中的创建字符串函数MakeStr出错，主要原因是函数的重复定义，参看前言中看雪论坛的相关讨论，修改方式如上图所示。

自己将最关键的部分代码进行了分析和抽取，脚本如上，这段代码可直接在ida中运行，用以定位函数名偏移量和修改函数名，但是注意最后这个地方函数名修改会有点问题，原因是函数名中除了下划线不能出现其他字符，但是当我们运行完毕后，很多函数名是存在特殊符号的，需要自己过滤。

gopclntab = get_segm_by_name('.gopclntab')
if gopclntab is not None:
    base = gopclntab.startEA + 8
    # 计算函数名个数
    count = Dword(base)
    # 基地址
    base += 8
    for i in xrange(0, 2 * count, 2):
        # 创建函数指针
        MakeQword(base + 8*i)
        functionAddr = Qword(base + 8*i)
        # 创建函数名字符串偏移量（相对于gopclntab基地址而言）
        MakeQword(base + 8*i + 8)
        offset = Qword(base + 8*i + 8)
        offset = Dword(offset + gopclntab.startEA + 8)
        # 函数名字符串偏移量（文件偏移量FOA）
        functionName = offset + gopclntab.startEA
        name = GetString(functionName)
        # 创建字符串
        MakeStr(functionName, functionName + len(name))
        # 修改函数名（ida禁止函数名出现特殊符号，需过滤后才能达到100%效果，我这里没有过滤）
        MakeName(functionAddr, name)

运行结果如下图所示：

通过分析go语言特有的.gopclntab段，我们可以恢复调试符号信息，只有该段中保存的信息均可以进行恢复，恢复率达到98%以上。

IDAGolangHelper脚本

刚刚讨论完了GolangAssist，效果是非常不错的，而作为GolangAssist的升级版本，IDAGolangHelper做的则更加完善，该脚本的作者在2016年底的zeronights会议中展示了他的成果，有兴趣的同学可以参看他的PPT，其实整个脚本的思路和上面一样，同样是通过.gopclntab这个段所保存的符号信息来获取函数信息，如下图所示。

除此之外，作者进一步分析了go语言的版本问题，通过2种方式来确定当前程序的go语言版本，一是通过特征字符串的来进行查找，二是通过分析go中特有的结构体类型，由于不同版本之间有结构体会产生变化，作者提出了这种思路来确定版本信息。

而通过实际分析证明，第一种方法，即特征字符串的方式来查找版本还是会更高效，更准确些，相比而言，第二种方法由于版本之间的差异不多，则会导致歧义。下图是使用效果，当我们载入该脚本后，第二种方式只能判断是go1.8或1.9或1.10，但是特征字符串则较好的确定是go1.9版本。在重命名函数后，再搜索main字符串，就能定位到main包中的所有函数了。

其他方法

当然无符号问题解决的方法还有很多，比如著名符号执行引擎angr中就使用了基于函数语义识别库函数，也有人对源码进行了分析。函数语义就是分析函数的功能和执行的操作，包括寄存器、内存、堆栈和对其他函数的调用流，作为人去分析函数的时，也是类似的，所以感觉这里也可以用机器学习的方法来进一步提高分析效率。
当然学术界也有对这方面的研究，比如二进制代码函数相似度匹配技术研究这篇论文，通过函数的序言部分的特征，提出了二阶段函数匹配方法TPM，在识别出相似函数后，找到其调用关系和决策规则，然后递归的识别不同版本的函数，据论文所述，识别准确率平均高于diaphora和patchdiff方法，也是值得借鉴的。

 

结语

至此，提出的这么多方法，就能较好的解决Go语言程序逆向中的无符号的问题了。而其实对无符号程序的分析一直是逆向工程中的一个难点，如何有效的分析无符号的程序也一直是我们所关心的问题。那么总结起来无外乎以下几点。

1. 从各种语言本身特性出发。比如本文详细讨论的Go语言特性，由于特定段保存了符号信息，从而可以进行恢复。
2. 从代码复用和库函数检测出发。将程序中未知函数和已知功能函数进行某种方式下的对比，比如hash计算、匹配签名、等等。
3. 从函数语义分析出发。也是最常见的硬核分析手段，就是一个一个函数分析其代码实现和功能，从而推断函数的作用，积少成多，就能对整个程序进行逆向。毫无疑问，也可以将人工智能结合到这种方式中，仿照逆向工程师的思路来进行深度学习的，可能也是学术界未来的一个研究方向吧。