滥用 VBS 飞地创建规避型恶意软件

基于虚拟化的安全性 (VBS) 是近期安全领域引人注目的一大进步。VBS 可以隔离操作系统关键组件，使 Microsoft 能够通过 Credential Guard 和受虚拟机监控程序保护的代码完整性 (HVCI) 等功能实现显著的安全改进。

此外，VBS 还带来了一项经常被忽视的功能——VBS 飞地。这项技术可以隔离进程中的某个区域，使其他进程、该进程本身甚至内核都无法访问此区域。

VBS 飞地可以承载各种安全应用程序，Microsoft 使用该技术来实现多项知名服务，包括备受争议的回顾功能。此外，Microsoft 支持第三方开发 VBS 飞地并积极推动该技术的采用。

虽然飞地有助于确保系统安全，但是它们对攻击者也很有吸引力，基于内存的检测和取证可能无法发现设法在飞地中运行的恶意软件。

我们已经着手研究 VBS 飞地，了解它们如何被用于恶意目的，本博文将详细介绍我们的主要发现。我们将深入探讨 VBS 飞地，探索以前未记录的行为，描述攻击者在飞地中运行恶意代码的不同场景，并研究“飞地恶意软件”可能使用的各种技术。

此外，我们还将介绍 Mirage，这是一种基于新方法的内存规避技术，我们称之为“存在漏洞的自带飞地”。我们将探讨攻击者如何使用存在漏洞的旧版本合法飞地来实施这种隐蔽的规避技术。

传统上，Windows 依靠处理器 Ring 级别来防止用户应用程序篡改操作系统。此硬件功能支持将操作系统与用户应用程序分隔开来，即内核在 ring0 中运行，与 ring3 用户模式应用程序隔离。这种方法的问题在于，它为攻击者提供了一种相对容易入侵操作系统的途径：内核漏洞。

Windows 内核暴露了非常丰富的攻击面。大量的第三方驱动程序以及内核本身暴露的各种服务导致内核漏洞层出不穷。利用这种漏洞，攻击者可能会全盘控制操作系统。事实证明，用户/内核模式的安全边界防护能力不足。

为了弥补这一差距，Microsoft 以虚拟信任级别 (VTL) 的形式在操作系统中引入了额外的安全边界。VTL 权限基于内存访问，每个信任级别为在该级别下运行的实体提供不同的物理内存访问权限。除此之外，这些权限可以确保较低 VTL 无法访问较高 VTL 的内存。

与传统的处理器 Ring 架构类似，VTL 将操作系统分为不同的执行“模式”，从 VTL0 开始，到（可能的）VTL16 为止。与处理器 Ring（其中 ring0 具有最高权限）不同，较高的 VTL 比较低的 VTL 具有更高的权限。

Windows 目前主要使用两种信任级别：VTL0 和 VTL1（也使用 VTL2，但不在本博文的讨论范围内）。VTL0 用于运行传统操作系统组件，包括内核和用户模式应用程序。VTL1 拥有比 VTL0 更高的权限，可创建两种新的执行模式：安全内核模式和隔离用户模式。

安全内核模式是指 ring0 VTL1 执行模式。该模式用于运行安全内核，即在 VTL1 中运行的内核，因此比常规内核具有更高的权限。利用这些权限，安全内核可以对常规内核实施策略，并限制对敏感内存区域的访问。

正如我们提到过的，内核暴露了很大的攻击面，容易受到攻击。通过剥离内核的某些权限并将这些权限授予安全内核，我们可以减少内核遭到入侵的影响。

从理论上讲，安全内核遭到入侵后，攻击者仍然可以彻底入侵系统。尽管如此，这种情况发生的可能性则要小得多，因为安全内核非常狭小，不支持任何第三方驱动程序，大大减少了攻击面。

由于 Microsoft 旨在尽可能限制对 VTL1 的访问，因此向飞地中加载 DLL 需要使用 Microsoft 颁发的特殊证书对其进行正确签名。如果没有此类签名，任何加载模块的尝试都将失败。对飞地模块进行签名的选择权仅委托给受信任的第三方。需要注意的是，对于可以加载这些模块的用户没有任何限制，只要经过签名，任何进程都可以向飞地中加载任意模块。

飞地模块旨在充当小型“计算单元”，与系统交互或影响系统的能力非常有限。因此，它们只能使用一组最少的 API，无法访问大多数操作系统组件。

飞地中可用的 API 是从加载到 VTL1 的专用库中导入的。例如，常规进程依赖 ntdll.dll 库从操作系统请求服务，而飞地模块则使用 vertdll.dll，这是一种“替代”ntdll，用于通过系统调用与安全内核进行通信。

飞地恶意软件的概念肯定会吸引攻击者，因为它有两个显著优势：

1. 在隔离的内存区域中运行：在 VTL0 中运行的任何程序（包括 EDR 和分析工具）都无法访问飞地的地址空间，这使得检测变得更加复杂。

2. 无法追踪 API 调用：EDR 无法监测飞地内部进行的 API 调用。EDR 通过在系统库中放置钩子来监控用户模式下的 API，并使用驱动程序来监控内核中的活动。这些技术无法检测到从飞地触发的 API 调用，因为飞地调用是从 VTL1 执行的，并且不会通过任何“挂钩”VTL0 组件。

图 4 描述了这一优势：常规进程调用 Windows API 时，可以通过 NTDLL 或内核本身中的钩子来监控。但是，飞地模块会通过驻留在 VTL1 中的 vertdll 来调用安全内核，而这两者都是 EDR 无法访问的。

认识到这种可能性后，我们开始研究飞地恶意软件的概念。要利用飞地实现此目的，必须解决两个问题：

1. 攻击者如何在飞地中执行恶意代码？
2. 一旦在飞地中运行，攻击者可以采用哪些技术？

如前所述，飞地模块必须使用 Microsoft 颁发的证书进行签名才能加载，这意味着只有获得 Microsoft 批准的实体才能在飞地中执行自己的代码。尽管如此，攻击者仍有一些选择。

首先，攻击者可以依赖操作系统漏洞。例如，Alex Ionescu （就职于 Winsider Seminars & Solutions 公司）发现的 CVE-2024-49706 漏洞。攻击者可以利用此漏洞将未签名的模块加载到飞地中。Microsoft 已修补该漏洞，但活跃的攻击者可能会在未来发现类似漏洞。

第二种直接的方法是获取合法签名，这种方法可行是因为 Microsoft 通过受信任签名平台向第三方公开了飞地签名。当然，这并非易事，但高级攻击者也有可能获得对受信任签名实体的访问权限，并为他们自己的飞地进行签名。

除了这两种方法之外，我们还研究了另外两种可能支持攻击者在 VBS 飞地中运行代码的技术：滥用可调试飞地和利用存在漏洞的飞地。

从攻击者的角度来看，问题显而易见，这是一把双刃剑，正如攻击者可以访问飞地内存一样，EDR 也可以访问。尽管如此，它确实具有逃避 API 监控的优势，飞地模块执行的 API 调用仍将通过 VTL1 DLL 和安全内核，从而限制了 EDR 的监测能力。

总而言之，这种方法可能有助于创建隐蔽的“半 VTL1”植入程序，利用在飞地中运行的一些好处。

我们曾尝试使用 VirusTotal 和其他源来识别可调试的已签名飞地模块，但截至撰写本文时，我们尚未成功。不过，我们相信，只要有足够的时间，飞地技术得到更广泛的采用，最终必定会发生数据泄露。

我们还没有找到一种在飞地中绕过 ACG 并将未签名代码加载到其中的方法。理论上，完全 ROP 攻击是可行的，例如，可以使攻击者调用 VTL1 的任意 API，但我们没有朝这个方向深究。尽管如此，我们仍然设法为存在漏洞的飞地找到了另一种值得关注的应用，我们将在本博文的稍后部分中进行讨论。

了解到飞地可能存在大量恶意活动，并且活跃的攻击者可能会加以利用，我们接下来要解决的问题是，此类恶意软件可以使用哪些技术。

最直接的使用方法是按照飞地的本意来使用。正如飞地可以保护敏感数据免遭攻击者窃取一样，攻击者也可以利用飞地向 VTL0 实体隐藏自己的“秘密”。

这在很多场景下都很有用，例如将有效负载存储在 EDR 检测不到的位置，将加密密钥密封起来不让分析师发现，或将敏感的恶意软件配置放置在内存转储之外。

至于更高级的方法，许多传统恶意软件技术都无法在飞地中实现。由于飞地仅限于受限的系统 API 子集，因此无法与文件、注册表、网络、其他进程等关键操作系统组件交互。

尽管如此，仍有许多技术可以在飞地中执行，让我们能够利用在 IUM 中运行所获得的好处。

通过访问 VTL0 用户模式内存，我们可以实现各种有用的技术。我们可以将恶意飞地加载到目标进程中，从而隐蔽地监控和窃取敏感信息，或修补进程中的值以更改其行为。

如前所述，利用飞地实现这些技术有一个显著优势，从飞地触发 API 可以逃避 EDR 的监控。由于在这些技术下进行的内存访问由飞地执行，因此仍然无法监测。

通过让用户模式进程“代其行事”，飞地可以间接访问系统，而通常情况下，飞地无法访问系统。例如，飞地可以触发可读取文件、创建套接字等的 VTL0 例程。

请务必注意，以这种方式运行用户模式代码在规避方面没有优势，因为此类代码的运行方式与任何其他用户模式代码一样，所以 EDR 可以监测得到。

通过将代码的关键部分与反调试检查一起移至飞地，我们可以制作一个几乎完全不受动态分析影响的恶意软件。恶意软件依靠飞地正常运行，而用户模式进程却无法修补飞地中运行的检查。如果实施得当，这种方法只能通过调试 Hyper-V 或安全内核才能破解。

该漏洞为攻击者实现了两种功能（图 16）。

1. 在飞地中任意写入：攻击者可以调用 SealSettings 来加密任意数据，然后调用 UnsealSettings 指向飞地中的目标地址。这将导致原始数据被写入飞地内存。

2. 在飞地中任意读取：攻击者可以调用 SealSettings，同时提供飞地中的地址作为源缓冲区指针。这将导致飞地加密来自飞地内存的数据并将其写入攻击者控制的位置。然后，攻击者可以通过调用 UnsealSettings 来解密这些数据，从而能够读取飞地中的任意数据。

截至目前，只有极少数应用程序使用飞地。即使飞地得到更广泛的采用，也仍将仅由特定进程加载，而不是由任意进程加载。例如，calc.exe 可能永远不会加载 VBS 飞地。

因此，异常的飞地使用可能是一个很好的检测机会。防御者应该加以利用，建立已知的、合法的 VBS 飞地使用基线，并对任何偏离该基线的情况进行标记。可以通过两种方式识别飞地的使用情况：监控飞地 API 和检测已加载的飞地 DLL。

以下 API 用于由托管进程管理 VBS 飞地，并可能表明正在加载飞地：

• CreateEnclave
• LoadEnclaveImageW
• InitializeEnclave
• CallEnclave
• DeleteEnclave
• TerminateEnclave

另一种检测飞地异常使用的方法是检测其通常所用环境 DLL（即 Vertdll.dll 和 ucrtbase_enclave.dll）的加载情况。由于这些 DLL 不应由除飞地之外的任何进程使用，因此它们的存在将表明该进程可能使用了一个飞地。

VBS 飞地为开发人员提供了保护其应用程序敏感部分的绝佳工具，但是正如我们刚才所演示的，攻击者也可以使用飞地来“保护”其恶意软件。虽然目前这一概念还处于理论阶段，但未来高级攻击者确实有可能开始将 VBS 飞地用于恶意目的。