mruby字节码逆向分析教程：从CISCN 2022 babycode题目解析

0x01 mruby字节码基础

1.1 mruby简介

mruby是Ruby语言的轻量级实现，可以将Ruby源码编译为中间字节码，然后通过基于寄存器的虚拟机解释执行。特点包括：

• 编译生成.mrb后缀的字节码文件
• 文件头标识版本：
  • RITE0006：mruby v2.1.0
  • RITE0200：mruby v3.0.0
  • RITE0300：mruby v3.1.0（本题使用版本）

1.2 开发工具链

编译mruby源码后得到的关键工具：

• mruby：字节码解释器，可打印字节码信息
• mirb：Ruby代码评估器
• mrbc：将Ruby源码编译为.mrb字节码文件

1.3 字节码分析基础命令

mruby -b babycode.mrb  # 打印字节码信息
mruby -v babycode.mrb  # 详细输出

0x02 字节码结构解析

2.1 基本结构

irep 0x56268619b4b0 
nregs=5      // 使用5个寄存器
nlocals=2    // 2个局部变量
pools=1      // 1个常量池
syms=5       // 5个符号
reps=2       // 2个子IREP
ilen=55      // 55条指令

2.2 关键指令类型

变量操作

• LOADNIL Rx：寄存器置空
• LOADI_0 Rx：加载立即数0
• MOVE Rx Ry：寄存器间传值

函数调用

• SSEND：直接调用
• SEND：调用内置函数
• 格式：SSEND Rx :func n=y，使用Rx到Rx+y的寄存器

控制流

• JMP：无条件跳转
• JMPNOT：条件跳转

类与方法定义

CLASS R2 :Crypt        // 定义Crypt类
EXEC R2 I(0:0x...)     // 类主体代码地址
METHOD R3 I(1:0x...)   // 方法定义
DEF R2 :check         // 定义check方法

0x03 题目逆向分析

3.1 主程序逻辑

def main():
    p = gets().chomp()       # 获取输入
    if check(p):             # 检查输入
        puts("yes")          # 正确输出yes
    else:
        return nil           # 错误返回nil

3.2 check函数分析

def check(p):
    lst_ch = 0
    # 第一步：异或处理
    for i in range(len(p)):
        c = ord(p[i])
        p[i] = chr(((ord(p[i]) ^ lst_ch) ^ (i+1)) & 0xff)
        lst_ch = c
    
    # 第二步：TEA加密
    cipher = Crypt::CIPHER.encrypt(p, "aaaassssddddffff")
    
    # 第三步：比对密文
    target = "f469358b7f165145116e127ad6105917bce5225d6d62a714c390c5ed93b22d8b6b102a8813488fdb"
    return cipher == target

3.3 加密算法详解

3.3.1 预处理异或

# 对每个字符进行：
# 1. 与前一个字符异或
# 2. 与位置索引+1异或
c = ord(p[i])
p[i] = chr(((c ^ lst_ch) ^ (i+1)) & 0xff)
lst_ch = c  # 保存原始字符

3.3.2 TEA加密实现

#define ut32 unsigned int
#define delta 305419896

void encrypt(ut32* src, ut32* k) {
    ut32 sum = 0;
    ut32 y = src[0];
    ut32 z = src[1];
    
    for(int i=0; i<16; i++) {
        y += (((z<<3)^(z>>5)) + z) ^ (sum + k[((sum>>11)+1)&3]);
        sum += delta;
        z += (((y<<3)^(y>>5)) + y) ^ (sum + k[(sum&3)]);
    }
    
    src[0] = y;
    src[1] = z;
}

0x04 解密过程

4.1 TEA解密算法

void decrypt(ut32* enc, ut32* k) {
    ut32 sum = delta * 16;
    ut32 y = enc[0];
    ut32 z = enc[1];
    
    for(int i=0; i<16; i++) {
        z -= (((y<<3)^(y>>5)) + y) ^ (sum + k[(sum+1)&3]);
        sum -= delta;
        y -= (((z<<3)^(z>>5)) + z) ^ (sum + k[((sum>>11)+1)&3]);
    }
    
    enc[0] = y;
    enc[1] = z;
}

4.2 完整解密脚本

from Crypto.Util.number import *

# 1. 分割密文
s = "f469358b7f165145116e127ad6105917bce5225d6d62a714c390c5ed93b22d8b6b102a8813488fdb"
c = []
for i in range(0, len(s), 8):
    c.append(int(s[i:i+8], 16))

# 2. 准备密钥
k = "aaaassssddddffff"
key = []
for i in range(0, len(k), 4):
    key.append(bytes_to_long(k[i:i+4].encode()))

# 3. C++解密TEA（需编译执行）
"""
#include <iostream>
#define ut32 unsigned int
#define delta 305419896

void decrypt(ut32* enc, ut32* k) {
    ut32 sum = delta * 16;
    ut32 y = enc[0];
    ut32 z = enc[1];
    
    for(int i=0; i<16; i++) {
        z -= (((y<<3)^(y>>5)) + y) ^ (sum + k[(sum+1)&3]);
        sum -= delta;
        y -= (((z<<3)^(z>>5)) + z) ^ (sum + k[((sum>>11)+1)&3]);
    }
    
    enc[0] = y;
    enc[1] = z;
}

int main() {
    ut32 enc[10] = {4100535691,2132169029,292426362,3591395607,
                   3169133149,1835181844,3281044973,2477927819,
                   1796221576,323522523};
    ut32 k[4] = {1633771873,1936946035,1684300900,1717986918};
    
    for(int i=0; i<10; i+=2) decrypt(enc+i, k);
    
    for(int i=0; i<10; i++) printf("%08x", enc[i]);
    return 0;
}
// 输出：67080e02194b500d5c585f0b5e40461511470a08154211560d47491e04031d262771217626242765
"""

# 4. 解密异或
c = bytes.fromhex('67080e02194b500d5c585f0b5e40461511470a08154211560d47491e04031d262771217626242765')
c = list(c)

c[0] ^= 1  # 第一个字符的特殊处理
for i in range(1, len(c)):
    c[i] ^= (i+1)
    c[i] ^= c[i-1]

print(bytes(c))  # flag{6ad1c70c-daa4-11ec-9d64-0242ac1200}

0x05 关键知识点总结

1. mruby字节码特点：

   • 基于寄存器的虚拟机
   • 函数调用使用连续寄存器传参
   • 类和方法定义有特定指令模式

2. 逆向技巧：

   • 对照mruby源码中的ops.h理解指令
   • 注意函数调用时的寄存器使用规则
   • 类和方法定义会跳转到独立代码块

3. 加密算法分析：

   • 识别TEA算法的特征结构
   • 注意魔改点：delta值、密钥调度方式
   • 预处理和后处理的组合加密方式

4. 解密流程：

   • 逆向加密步骤的顺序
   • 处理边界条件（如第一个字符）
   • 使用多种语言协作解密（Python+C++）

0x06 参考资源

1. mruby官方源码：https://github.com/mruby/mruby
2. mruby字节码指令定义：include/mruby/ops.h
3. TEA算法原理：https://en.wikipedia.org/wiki/Tiny_Encryption_Algorithm
4. Ruby字节码逆向工具：https://github.com/mruby/mruby/blob/master/doc/limitations.md