本文将简要介绍Jscript 9 (Charka)引擎处理数字、对象、函数操作的一些内容。

0×00 Jscript9 的安全机制


IE9开始,微软使用了全新的JavaScript引擎—工程代号Charka版本9的JavaScript引擎。而IE8中它的版本还是5,也就是说5到9之间其实没有什么其他版本了,既然版本号跳跃如此之大,那Charka(下均称Jscript 9)到底有什么改进呢?

首先,与Jscript 5不同的是,JScript9引入了一个新的JIT,由此指令的执行变得更加线性化,不用像之前一样跳来跳去的执行各个分支,源代码经过解析器生成AST,然后经过字节码生成器产生字节码并由其JIT解释成机器码并执行。也达到了之前类似Malzilla Firefox所称Javascript执行性能已经达到原生C++编译出的代码的水平。

本文中我们将关注:

  • 1、常量(数字、字符串)是如何表现在字节码中的以及代码优化和MSVC的编译器的异同之处;
  • 2、代码的跳入跳出逻辑,对象以及函数的调用;

大改之后的JScript,由于引入了字节码执行方式,相对于之前的解释型执行,必然会为攻击者提供一些新的思路—ROP。

字节码的编译过程中,如果像编译普通EXE一样产生字节码,必然会遇到如下的问题:

  • 1、生成代码固定、可预测;
  • 2、内存中执行的这些代码基本受到攻击者控制;

在微软的层层保护之下,如果字节码不设防,那么从字节码中进行ROP将会是一个十分轻松愉悦的过程。由攻击者控制的JS代码(和生成的字节码)中产生Gadget将会十分简单,这个可能给UAF类型的漏洞的利用常严重的影响,会大幅降低攻击者攻击的难度。

因此,在JScript9的JIT引擎中,引入了大量的安全概念1

(1)代码是默认开启DEP的;

(2)代码对齐随机化,字节码存放在各个新申请的内存中,“顶格”放可能会被预测地址,因此在对齐方面预留了这样的一手;

(3)随机NOP插入,也是同样防止攻击者预测指令地址的,在调试JIT生成的字节码中,你也许会发现有很多莫名其妙的指令,例如mov ecx,ecx, lea ecx, [ecx],不用理会,这些都是它插入的NOP;

(4)常量加密存储,你会发现DWORD值在字节码中并不是按照原样存放的,而是xor了一个随机的值存放,并在使用它的时候再次xor解开;

(5)以及JIT内存分配的上限,以及页的随机化。

让我们看一下最为直观的(4),在阅读NDSS15的一篇论文时,我关注到了作者所述“Charka中小于2字节的常量都是XOR一个值并存放起来,并在使用时解开”。但是在之后的调试中我发现这个描述是不正确的。看起来也是作者的笔误。

经过调试,可知整数的存取整理如下:

32位IE中,

(1)2 byte以上32位整数常量全部以(n * 2 + 1) xor (some value)过的形式存在内存中;xor key随机,需要一段代码解开才能继续使用;

(2)n > 0x7fffffff的值无法* 2 + 1放在EXX寄存器中了,这个时候会转入SSE寄存器中(xmmX)来处理;

(3)2 byte以下常量将以n * 2 + 1的方式保存,并在需要使用时将其右移一位再使用。

以下是具体的例子:

1、“2Byte” 以下的正整数和负整数。

2 byte以下常量将以n * 2 + 1的方式保存,并在需要使用时将其右移一位再使用。

正常来说,32位整数,包括负数在Chakra中均采用有符号数来处理,那-1即0xffffffff,让我们通过实例来确定是否存在这个情况。

考虑如下JS代码: var a = 1; var b = -1; a--; b++;

挂上调试器,栈中看到这种解释不出来名字的,跟在Js::JavascriptFunction::CallFunction的,就是编译出来的字节码:

enter image description here

该地址所在的内存页的Allocation Base基本就是函数开头,观察该函数。

首先可以看到大量的NOP插入,如箭头处,感觉没有什么大作用的语句会让想从这里拿到ROP的片段的攻击者大为头疼。

enter image description here

继续往下,可以看到在Chakra(11.0.9600.17689)中,这两个数字被解释为:

enter image description here

1被存储为了3 ,也即 1 * 2 + 1 (左移一位加一)。 -1 被存储为了0xffffffff, -1 * 2 + 1 = -1 (同上)。

enter image description here

而由于编译执行,所以编译器自然地做了优化,将a++ 的值2按 * 2 + 1编码后5 和 b— 的值 -2 ,编码后-2 * 2 + 1 = -3 (0xfffffffd)提前计算好写入了字节码中,如上图,这个和流行的编译器的优化逻辑如出一辙,只不过并没有像是编译器那样那么彻底,有点像Release开启了O1 O2优化之后的感觉。但是明显效率高于Debug版的。

让我们看一下同样代码在VS2008 Release开启O2和Debug 默认以及Chakra的结果:

enter image description here

代码在Debug Vs2008生成如下操作:

enter image description here

可以看到就是逐句翻译,真·机翻的感觉。

enter image description here

enter image description here

Release 开启O2之后的效果,这里已经把加加减减的值算好了,这个和Chakra的动作一样。

enter image description here

enter image description here

代码比较简单,所以开启O1也是一个效果,所以用脚趾头也可以得出结论,Chakra的字节码编译过程中确实有优化。

不过不同于VS,如果你直接写个变量加加减减最后哪儿也不用他,开启OX优化的时候,这个变量根本就不会编译进EXE,而Chakra则稍有不同,即使没用,还是编译进来了,只不过做了最大可能的优化处理。

如果全优化了,F12你怎么调试呢。

2、“2Byte”~“4Byte”之间的整数存取

这个区间内的数字比较特殊,采用了异或的方式存储。异或的随机密钥在生成字节码时由编译器确定。

考虑如下JS代码:

var a = 0×32132132; var b = -0×12312312;

a++; b--;

调试可知,这里的数字被“加密”了:

enter image description here

062a003f bad8359075      mov     edx,offset USP10!pScriptProperties+0xd0 (759035d8)
062a0044 81f2bd77b611    xor     edx,11B677BDh

为例 (a = 0x32132132;)

0:008> g
Breakpoint 0 hit
eax=9ef4b531 ebx=03f2bad0 ecx=03419720 edx=db9db9db esi=03f2b8bc edi=062a0000
eip=062a003f esp=03f2b8a0 ebp=03f2b8a8 iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246
062a003f bad8359075      mov     edx,offset USP10!pScriptProperties+0xd0 (759035d8)
0:008> p
eax=9ef4b531 ebx=03f2bad0 ecx=03419720 edx=759035d8 esi=03f2b8bc edi=062a0000
eip=062a0044 esp=03f2b8a0 ebp=03f2b8a8 iopl=0         nv up ei pl zr na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000246
062a0044 81f2bd77b611    xor     edx,11B677BDh
0:008> 
eax=9ef4b531 ebx=03f2bad0 ecx=03419720 edx=64264265 esi=03f2b8bc edi=062a0000
eip=062a004a esp=03f2b8a0 ebp=03f2b8a8 iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
062a004a 899108060000    mov     dword ptr [ecx+608h],edx ds:002b:03419d28=67422664

将edx右移一位,得到0×32132132即a的值。

负数的处理也是一样,以第二句为例:

062a0056 ba170c6687      mov     edx,87660C17h
062a005b 81f2cab5fb5c    xor     edx,5CFBB5CAh

0:008> 
eax=9ef4b531 ebx=03f2bad0 ecx=03419720 edx=64264265 esi=03f2b8bc edi=062a0000
eip=062a0056 esp=03f2b8a0 ebp=03f2b8a8 iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
062a0056 ba170c6687      mov     edx,87660C17h
0:008> 
eax=9ef4b531 ebx=03f2bad0 ecx=03419720 edx=87660c17 esi=03f2b8bc edi=062a0000
eip=062a005b esp=03f2b8a0 ebp=03f2b8a8 iopl=0         nv up ei pl nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000206
062a005b 81f2cab5fb5c    xor     edx,5CFBB5CAh
0:008> 
eax=9ef4b531 ebx=03f2bad0 ecx=03419720 edx=db9db9dd esi=03f2b8bc edi=062a0000
eip=062a0061 esp=03f2b8a0 ebp=03f2b8a8 iopl=0         nv up ei ng nz na pe nc
cs=0023  ss=002b  ds=002b  es=002b  fs=0053  gs=002b             efl=00000286
062a0061 89910c060000    mov     dword ptr [ecx+60Ch],edx ds:002b:03419d2c=dbb99ddb

得到edx后,将其右移一位得到0xEDCEDCEE (记得符号位不要也一起右移了)。正是var b = -0x12312312;。

下方a++运算结果和2byte的例子一样,我们就简单看一个

062a006d ba30059380      mov     edx,80930530h
062a0072 81f25747b5e4    xor     edx,0E4B54757h

异或后:64264267 右移一位:32132133 (32132132 + 1)

3、4byte以上的结果

作为32位有符号数,大于4byte的就不好弄了,让我们看看

var a=0x90909090;
var b=0x99999999;
a++;b++;

的结果:

针对它的加法,JS已经选择用SSE2的函数了:

07030080 68b8b31803      push    318B3B8h
07030085 53              push    ebx
07030086 e88539e46b      call    jscript9!Js::SSE2::JavascriptMath::Increment_Full (72e73a10)
0703008b 8bf8            mov     edi,eax
0703008d e9b8ffffff      jmp     0703004a

它们的值被提前算好存储起来了:

063b0067 47              inc     edi
063b0068 8b1504612c03    mov     edx,dword ptr ds:[32C6104h]
063b006e 81fa804f2c03    cmp     edx,32C4F80h
063b0074 0f8562000000    jne     063b00dc

063b007a 8b1508612c03    mov     edx,dword ptr ds:[32C6108h]
063b0080 8bff            mov     edi,edi
063b0082 899a08060000    mov     dword ptr [edx+608h],ebx
063b0088 8b1508612c03    mov     edx,dword ptr ds:[32C6108h]
063b008e 89b20c060000    mov     dword ptr [edx+60Ch],esi
063b0094 8b1508612c03    mov     edx,dword ptr ds:[32C6108h]
063b009a 898208060000    mov     dword ptr [edx+608h],eax
063b00a0 8b1508612c03    mov     edx,dword ptr ds:[32C6108h]
063b00a6 898a0c060000    mov     dword ptr [edx+60Ch],ecx

ebx、esi等其实是存储着mmword 的指针,但这看起来并不直观,所以我们需要有更直观的方式:

var a=0x90909090;
var b=0x99999999;
b = a+b;

068f0026 8d6424f4        lea     esp,[esp-0Ch]
068f002a 57              push    edi
068f002b 56              push    esi
068f002c 53              push    ebx
068f002d bbf0805503      mov     ebx,35580F0h
068f0032 be00815503      mov     esi,3558100h
068f0037 33ff            xor     edi,edi
068f0039 f20f10056c490003 movsd   xmm0,mmword ptr ds:[300496Ch]
068f0041 f20f100db4f96e00 movsd   xmm1,mmword ptr ds:[6EF9B4h]
068f0049 f20f58c1        addsd   xmm0,xmm1
068f004d 8b0538b8fb02    mov     eax,dword ptr ds:[2FBB838h]
068f0053 8d4810          lea     ecx,[eax+10h]
068f0056 3b0d34b8fb02    cmp     ecx,dword ptr ds:[2FBB834h]
068f005c 0f875b000000    ja      068f00bd

这回就看的很清楚了

enter image description here

enter image description here

这正是我们的第一个数,0×90909090;

enter image description here

第二个数也不例外,

enter image description here

可见,使用xmm的时候,Chakra并没有给它们做任何的混淆,事实上也没有什么太大的必要混淆这类数字了,因此做法可以接受。

VIII.2 对象的操作与结构

作为一个面向对象的语言,JScript中宽松的定义使得对象操作简单但是又“复杂” ,考虑如下代码。

var a = new Object;  
a.X = 3; a.Y = 4;

此时a是一个含有X、Y两个Number成员的Object,它的编译方式是怎样呢?

请一定要记得上一节的内容,3和4在内存里面是7和9。

enter image description here

只有这样,我们才能愉快地找到后两句的位置,阅读代码可知这个对象的内存分布是:

+0: jscript9!Js::ArrayBufferParent::`vftable' 

enter image description here

左边是Object,右边是成员的两个Number,在Windbg中可以跟踪得到:

0:007> dd [edi+8]
0b69a030  00000007 00000009 030eb040 030eb040
0b69a040  00000000 00000000 00000000 00000000

这样当然是不够的,让我们再看看将这个对象(或者更形象的说“Property Bag”)复制后再扩展一个成员(Slot),代码如下

#!c
function xObj(x,y)
{
this.X = x; 
this.Y = y;
} 
var a=new xObj(3,4); 
var b=new xObj(3,4); 
b.Z = 5;

首先,找到五个赋值语句的位置:

enter image description here

第一句的3,4

enter image description here

第二句的3,4

到此为止,这两个对象都是一样的,

enter image description here

直到这里,可以看出来它给b的第三个元素(应为Z)赋值5,这里a、b的情况我们在控制台输入一下。

a:

enter image description here

b:

enter image description here

可以看出来a、b除了成员变量之外别无二致,这正是Chakra中为了对象的快速存取而制作的多态特性:

enter image description here

VIII.3 函数的调用

最后,让我们回到这个问题上,想在一章之内说完Chakra绝对无异于痴人说梦,所以这里挑一个常见的地方来描述:在Chakra中的函数调用是如何的?

首先是基本的函数,这个和JScript5差不多,一些具体功能的操作符(或者在JS中称为Token),例如new Object这样无参数的new操作符,对应的函数是Js::JavascriptOperators::NewJavascriptObjectNoArg

而有些简单的内容被编译器直接计算值后显示,例如Math.sqrt(5)在这里直接存为了2.23606xxxxx,而不会再现场调用函数来运算:

enter image description here

其他的一些无法优化的函数调用还是会照常调用,还是类似JScript5一样看名字即可知道是做啥的,例如取随机数的函数即为Js::SSE2::JavascriptMath::Random:

enter image description here

通过符号很容易看到各个函数的名称和参数类型等:

enter image description here

而用户自定义的函数、循环体等通常在字节码中不会作为内联函数存在,例如下列伪代码,它们的调用有点像是:

enter image description here

在生成字节码的时候它的范围通常是:

enter image description here

颜色代表立场,呸,颜色代表不同的函数块,上述函数在调用时最可能的栈像是:

enter image description here

Chakra的内容介绍到此结束,限于个人水平以及篇幅内容,先介绍的就是这么多,其实基本调试方法和调试之前的代码没啥两样,这里的调试很容易就能够举一反三。

自Chakra开始,IE的脚本执行速度比先前提升了十多倍(微软自己的SunSpider跑分),原图我找不着了,但是在微软的某个文章里面还是看到了小图……如下,IE9面世不久后的测试得分和当时的Chrome21的脚本跑分不相上下。可惜悲剧的它出来的时候大家在用IE6,IE11出来的时候大家还是在用IE6,就是卡的不行啊怎么办,赶紧升级吧:)。

enter image description here

1 http://files.accuvant.com/web/files/images/webbrowserresearch_v1_0.pdf

2 http://users.ics.forth.gr/~elathan/papers/ndss15.pdf

3 https://blog.indutny.com/5.allocating-numbers