可怕！CPU暗藏了這些未公開的指令！
大家好，我是軒轅。
我們知道，我們平時編程寫的高級語言，是經過編譯器編譯以后，變成了CPU可以執行的機器指令：
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?
平常我們談論網絡安全問題的時候，大多數時候都是在軟件層面。談應用程序的漏洞、后端服務的漏洞、第三方開源組件的漏洞乃至操作系統的漏洞。
但很少有機會去觸及硬件，前幾年爆發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，這是一件非常可怕的事情。
如果某一天，某些國家或者某些團體組織出于某種需要，利用這些隱藏的指令來發動攻擊，后果不堪設想。
雖然想到過這個問題，但我一直沒有付諸實踐去認真的研究。
直到前段時間，極客時間的一位老師分享了一份PDF給我，解答了我的疑惑。
這份PDF內容是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，熟悉匯編的同學知道這名字是什么意思嗎?
這份PDF深度研究了x86架構CPU中隱藏的指令，原報告因為是英文，看起來有些晦澀，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?
我們以單字節指令為例，單字節的范圍是0x00-0XFF，總共256種組合，Intel的指令手冊中是這樣介紹單字節指令的：
橫向為單字節的高四位，縱向為單字節的低四位，順著表格定位，可以找到每一個單字節指令的定義。比如我們常見的nop指令的機器碼是0x90，就是行為9，列為0的那一格。
但是不知道你發現沒有，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，會怎么執行呢?
指令手冊沒告訴你。
這篇報告的主要內容就是告訴你，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，我們應該在什么樣的一個范圍內去尋找隱藏指令。
如果指令長度是固定的，比如JVM那樣的虛擬機，那問題好辦，直接遍歷就行了。
但問題難就難在，x86架構CPU的指令集屬于復雜指令集CISC，它的指令不是固定長度的。
有單字節指令，比如：
90 nop
CC int 3
C3 ret
也有雙字節指令，比如：
8B C8 mov ecx,eax
6A 20 push 20h
還有三四節、四字節、五字節···最長能有十幾個字節，比如這條指令：
指令：lock add qword cs:[eax + 4 * eax + 07e06df23h], 0efcdab89h
機器碼：2e 67 f0 48 818480 23df067e 89abcdef
一個字節、兩個字節，甚至三個四個遍歷都還能接受，4個字節最多也就42億多種組合，對于計算機來說，也還能接受。
但越往后，容量是呈指數型增長，這種情況再去遍歷，顯然是不現實的。
指令搜索算法
這份報告中提出了一種深度優先的搜索算法：
該算法的指導思想在于：快速跳過指令中無關緊要的字節。
怎么理解這句話?
比如壓棧的指令push，下面幾條雖然字節序列不同，但變化的只是數據，其實都是壓棧指令，對于這類指令，就沒必要花費時間去遍歷：
- 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68就是關鍵字節，后面的四個字節都是壓入棧中的數據，就屬于無關緊要的字節。
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。
(PS:本文來自公眾號：編程技術宇宙)
上面只是一個例子，如何能夠系統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，它們對指令的長度和異常表現會產生沖擊。
又該怎么理解這句話?
還是上面那個例子，當嘗試修改第一個字節68的時候，這一段二進制序列可能就完全變成了別的指令，甚至指令長度都會發生變化(比如把68改成90，那就變成了一個字節的nop指令)，那么就認為這第一個字節是一個有意義的字節，修改了它會對指令的長度產生重要影響。
反之，如果修改后面字節的數據，會發現這仍然是一條5個字節的壓棧指令，長度沒變化，也沒有其他異常行為表現與之前不同，那么就認為后面幾個字節是無關緊要的字節。
在這個指導思想下，我們來看一個例子：
從下面這一段數據開始出發：
我們從兩個字節的指令開始遍歷：
把最后那個字節的內容+1，嘗試去執行它：
發現指令長度沒有變化(具體怎么判斷指令長度變沒變，下一節會重點討論)，那就繼續+1，再次嘗試執行它：
一直這樣加下去，直到發現加到4的時候，指令長度發生了變化，長度超過了2(但具體是多少還不知道，后文會解釋)：
那么在這個基礎上，長度增加1位，以指令長度為3的指令來繼續上面的探索過程：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：
當某一條的最后一個字節遍歷至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，將其+1，繼續再來：
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+1后，有沒有影響指令的長度。
要判斷某個字節是不是關鍵字節，就得知道這個字節的內容變化，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。
假設我們要評估下面這一串數據，前面開頭到底多少個字節是一條完整指令。
可能第一個字節0F就是一條指令。
也可能前面兩個字節0F 6A是一條指令。
還可能前面五個字節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出來。
準備兩個連續的內存頁面，前面一個擁有可執行的權限，后面一個不能執行。
記住：當CPU發現指令位于不可執行的頁面中時，它會拋異常!
現在，在內存中這樣放置上面的數據流：第一個字節放在第一個頁面的末尾位置，后面在字節放在第二個不可執行的頁面上。
然后JMP到這條指令的地址，嘗試去執行它，CPU中的譯碼器開始譯碼：
譯碼器譯碼發現是0F，不是單字節指令，還需要繼續分析后面的字節，繼續取第二個字節：
但注意，第二個字節是位于不可執行的頁面，CPU檢查發現后會拋出頁錯誤異常：
如果我們發現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。
既然不止一個字節，那就往前挪一下，放兩個字節在可執行頁面，從第三個字節開始放在不可執行頁面，繼續這個過程。
繼續上面這個過程，放三個字節在可執行頁面：
四個：
當放了四個字節在可執行頁面之后，事情發生了變化：
指令可以執行了!雖然也拋了異常(因為天知道這是個什么指令，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個字節是一條完整的指令：
挖掘隱藏指令
現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，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、安全、自主可控這幾個字的理解又加深了一層。
各位朋友，你對這些隱藏指令怎么看?歡迎評論區分享你的觀點。
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