可怕！CPU 暗藏了这些未公开的指令！

我们知道，我们平时编程写的高级语言，是经过编译器编译以后，变成了CPU可以执行的机器指令：

而CPU能支持的指令，都在它的指令集里面了。

很久以来，我都在思考一个问题：

CPU有没有未公开的指令？

或者说：

CPU有没有隐藏的指令？

为什么会有这个问题？

平常我们谈论网络安全问题的时候，大多数时候都是在软件层面。谈应用程序的漏洞、后端服务的漏洞、第三方开源组件的漏洞乃至操作系统的漏洞。

但很少有机会去触及硬件，前几年爆发的熔断和幽灵系列漏洞，就告诉我们，CPU也不是可信任的。

要是CPU隐藏有某些不为人知的指令，这是一件非常可怕的事情。

如果某一天，某些团体组织出于某种需要，利用这些隐藏的指令来发动攻击，后果不堪设想。

虽然想到过这个问题，但我一直没有付诸实践去认真地研究。

直到前段时间，有人分享了一份PDF给我，解答了我的疑惑。

这份PDF内容是2017年顶级黑客大会Black Hat上的一篇报告：《us-17-Domas-Breaking-The-x86-ISA》，作者是大神：@xoreaxeaxeax，熟悉汇编的同学知道这名字是什么意思吗？

这份PDF深度研究了x86架构CPU中隐藏的指令，原报告因为是英文，看起来有些晦涩，今天我尝试用大家易懂的语言来给大家分享一下这篇非常有意思的干货。

有些人会问：真的会有隐藏指令的存在吗，CPU的指令集不是都写在指令手册里了吗？

我们以单字节指令为例，单字节的范围是0x00-0XFF，总共256种组合，Intel的指令手册中是这样介绍单字节指令的：

横向为单字节的高四位，纵向为单字节的低四位，顺着表格定位，可以找到每一个单字节指令的定义。比如我们常见的nop指令的机器码是0x90，就是行为9，列为0的那一格。

但是不知道你发现没有，这张表格中还有些单元格是空的，比如0xF1，那CPU拿到一个为0xF1的指令，会怎么执行呢？

指令手册没告诉你。

这篇报告的主要内容就是告诉你，如何去寻找这些隐藏的指令。

指令集的搜索空间

想要找到隐藏的指令，得先明确一个问题：一条指令到底有多长，换句话说，有几个字节，我们应该在什么样的一个范围内去寻找隐藏指令。

如果指令长度是固定的，比如JVM那样的虚拟机，那问题好办，直接遍历就行了。

但问题难就难在，x86架构CPU的指令集属于复杂指令集CISC，它的指令不是固定长度的。

有单字节指令，比如：

90  nop

CC  int 3

C3  ret

也有双字节指令，比如：

8B C8  mov ecx,eax

6A 20  push 20h

还有三四节、四字节、五字节···最长能有十几个字节，比如这条指令：

指令：lock add qword cs:[eax + 4 * eax + 07e06df23h], 0efcdab89h

机器码：2e 67 f0 48 818480 23df067e 89abcdef

一个字节、两个字节，甚至三个四个遍历都还能接受，4个字节最多也就42亿多种组合，对于计算机来说，也还能接受。

但越往后，容量是呈指数型增长，这种情况再去遍历，显然是不现实的。

指令搜索算法

这份报告中提出了一种深度优先的搜索算法：

该算法的指导思想在于：快速跳过指令中无关紧要的字节。

怎么理解这句话？

比如压栈的指令push，下面几条虽然字节序列不同，但变化的只是数据，其实都是压栈指令，对于这类指令，就没必要花费时间去遍历：

• 68 6F 72 6C 64    push 646C726Fh
• 68 6F 2C 20 77    push 77202C6Fh
• 68 68 65 6C 6C    push 6C6C6568h

第一个字节68就是关键字节，后面的四个字节都是压入栈中的数据，就属于无关紧要的字节。

如果能识别出这类，快速跳过，将能够大面积减少需要遍历的搜索空间。

上面只是一个例子，如何能够系统化地过滤掉这类指令呢？报告中提出了一个方案：

观察指令中的有意义的字节，它们对指令的长度和异常表现会产生冲击。

又该怎么理解这句话？

还是上面那个例子，当尝试修改第一个字节68的时候，这一段二进制序列可能就完全变成了别的指令，甚至指令长度都会发生变化（比如把68改成90，那就变成了一个字节的nop指令），那么就认为这第一个字节是一个有意义的字节，修改了它会对指令的长度产生重要影响。

反之，如果修改后面字节的数据，会发现这仍然是一条5个字节的压栈指令，长度没变化，也没有其他异常行为表现与之前不同，那么就认为后面几个字节是无关紧要的字节。

在这个指导思想下，我们来看一个例子：

从下面这一段数据开始出发：

我们从两个字节的指令开始遍历：

把最后那个字节的内容+1，尝试去执行它：

发现指令长度没有变化（具体怎么判断指令长度变没变，后文会重点讨论），那就继续+1，再次尝试执行它：

一直这样加下去，直到发现加到4的时候，指令长度发生了变化，长度超过了2（但具体是多少还不知道，后文会解释）：

那么在这个基础上，长度增加1位，以指令长度为3的指令来继续上面的探索过程：从最后一位开始+1做起。

随着分析的深入，梳理一下指令搜索的路径图：

当某一条的最后一个字节遍历至FF时，开始往回走（就像递归，不能一直往下，总有回去的时候）：

往回走一个字节，将其+1，继续再来：

按照这个思路，整个要搜索的指令空间压缩到可以接受遍历的程度：

如何判定指令长度

现在来解答前面遗留的一个问题。

上面这个算法能够工作的一个重要前提是：

我们得知道，给末尾字节+1后，有没有影响指令的长度。

要判断某个字节是不是关键字节，就得知道这个字节的内容变化，会不会影响到指令长度，所以如果无法判断长度有没有变化，那上面的算法就无从谈起了。

所以如何知道长度有没有变化呢？报告中用到了一个非常巧妙的方法。

假设我们要评估下面这一串数据，前面开头到底多少个字节是一条完整指令。

可能第一个字节0F就是一条指令。

也可能前面两个字节0F 6A是一条指令。

还可能前面五个字节0F 6A 60 6A 79 6D是一条指令。

到底是什么情况，我们不知道，让我们用程序来尝试推导出来。

准备两个连续的内存页面，前面一个拥有可执行的权限，后面一个不能执行。

记住：当CPU发现指令位于不可执行的页面中时，它会抛异常！

现在，在内存中这样放置上面的数据流：第一个字节放在第一个页面的末尾位置，后面的字节放在第二个不可执行的页面上。

然后JMP到这条指令的地址，尝试去执行它，CPU中的译码器开始译码：

译码器译码发现是0F，不是单字节指令，还需要继续分析后面的字节，继续取第二个字节：

但注意，第二个字节是位于不可执行的页面，CPU检查发现后会抛出页错误异常：

如果我们发现CPU抛了异常，并且异常的地址指向了第二个页面的地址，那么我们可以断定：这条指令的长度肯定不只一个字节。

既然不只一个字节，那就往前挪一下，放两个字节在可执行页面，从第三个字节开始放在不可执行页面，继续这个过程。

继续上面这个过程，放三个字节在可执行页面：

四个：

当放了四个字节在可执行页面之后，事情发生了变化：

指令可以执行了！虽然也抛了异常（因为天知道这是个什么指令，会抛什么异常），但页错误的地址不再是第二个页面的地址了！

有了这个信号，我们就知道，前面4个字节是一条完整的指令：

挖掘隐藏指令

现在核心算法和判断指令长度的方法都介绍完了，可以正式来开挖，挖出那些隐藏的指令了！

以一台Intel Core i7的CPU为目标，来挖一挖：

挖掘成果，收获颇丰：

这些都是Intel指令集手册中未交待，但CPU却能执行的指令。

然后是AMD Athon的CPU：

挖掘成果：

那这些隐藏的指令是做什么的呢？

有些已经被逆向工程分析了。

还有的就是毫无记录，只有Intel/AMD自己人知道了，谁知道它们用这些指令是来干嘛的？

软件即便是开源都能爆出各种各样的问题，何况是黑盒一样的硬件。

CPU作为计算机中的基石，它要是出了问题，那可是大问题。

我不是阴谋论，害人之心不可有，但防人之心不可无。

看完这些，我对国产、安全、自主可控这几个字的理解又加深了一层。

各位朋友，你对这些隐藏指令怎么看？

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