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问题

操作系统能否知道自己处于虚拟机中?

回答
是的，操作系统（OS）在很多情况下能够知道自己处于虚拟机（VM）中。这种能力并非绝对，具体取决于操作系统的设计、虚拟机监控程序（VMM，也称为Hypervisor）的实现方式以及检测技术本身。

下面我将详细阐述操作系统如何检测自己是否处于虚拟机中，以及背后的一些技术细节：

为什么操作系统需要知道自己是否在虚拟机中？

在开始讨论检测技术之前，理解其动机很重要：

1. 性能优化: 某些操作在物理硬件上执行效率更高，而在虚拟机中可能需要通过模拟或额外的层来完成。OS可以根据是否在VM中调整资源分配、调度策略等。例如，某些特定的硬件访问指令可能在VM中需要被捕获和转发。
2. 硬件访问: 许多OS依赖于直接的硬件交互来执行特定任务，例如访问显卡、网卡、磁盘控制器等。在VM中，这些硬件不再是真实的物理设备，而是由VMM提供的虚拟设备。OS需要知道这一点才能正确地与这些虚拟设备交互。
3. 安全性和稳定1性: 有些恶意软件或不稳定的驱动程序可能试图利用直接硬件访问来破坏系统或进行特权升级。在VM中，这些攻击会受到VMM的隔离和限制。OS可以利用VM检测来增强安全性，例如，报告潜在的“不受信任”的环境。
4. 特定功能启用: 一些虚拟化相关的工具或功能可能只在检测到自己是虚拟机时才可用。

操作系统如何检测自己处于虚拟机中？

OS检测VM的方式多种多样，通常是尝试与底层硬件或VMM进行交互，并观察其行为是否符合预期的物理硬件模型。以下是一些常见的检测技术：

1. 通过CPU ID指令（CPUID）

原理: CPUID是一个 x86/x64 指令，用于查询CPU的特性和信息。物理CPU制造商（如Intel、AMD）会在CPUID的特定叶子节点（leaf）中嵌入其产品的标识信息。虚拟机监控程序通常会模拟这些CPU特性，并在返回的CPUID信息中注入自己的标识，或者修改了原始制造商信息。
检测方法:
OS执行CPUID指令，并检查返回的CPU制造商字符串。例如，Intel的物理CPU会返回 "GenuineIntel"，AMD的物理CPU会返回 "AuthenticAMD"。
如果OS在VM中，它可能会看到诸如 "VMwareVMware" (VMware)、"KVMKVMKVM" (KVM)、"XenXen" (Xen)、"MicrosoftXXXX" (HyperV) 等字符串。
更高级的检测还会检查CPUID的特定叶子节点（例如Leaf 0x1, 0x80000001），这些叶子节点可能包含虚拟化技术的标志，如`vmx` (Intel VTx) 或`svm` (AMDV)。VMM会模拟这些标志。
优缺点: 这是最常见、最直接的方法之一。但随着VM技术的进步，VMM越来越擅长模仿物理CPU，使得这种检测变得更加困难，因为VMM可以配置成返回更逼真的CPU信息。

2. 通过特定I/O端口读写（IO Port Access）

原理: 物理硬件通常会通过特定的I/O端口进行通信。例如，BIOS/UEFI会在启动时通过特定的I/O端口写入信息，显卡可能有特定的I/O端口用于配置。VMM会模拟这些I/O端口的读写操作。
检测方法:
VGA BIOS: 显卡BIOS通常在内存地址 `0x000C0000` 到 `0x000C00FF` 范围内存储信息。VMware、VirtualBox等VMM会在这个范围内存储自己的标识。OS可以尝试读取这些地址的内容。
ACPI/SMBIOS: ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) 和 SMBIOS (System Management BIOS) 表格包含系统硬件和配置信息。VMM会创建虚拟的ACPI/SMBIOS表，其中可能包含虚拟化相关的标识（例如，System Manufacturer为 "VMware, Inc." 或 "Microsoft Corporation"）。OS可以通过扫描内存或特定区域来读取这些信息。
其他特定端口: 有些VMM会暴露特定的I/O端口，当OS读取或写入这些端口时，VMM会做出特殊响应，OS可以通过这些响应来推断。例如，某些VMM可能会在端口 `0x501` 或 `0x502` 上写入数据。
优缺点: 这种方法依赖于VMM对特定硬件接口的模拟。如果VMM模拟得非常完美，或者根本不提供这些信息（例如，通过HyperV的精简模式），检测可能会失效。

3. 通过检查虚拟硬件设备的存在或型号

原理: VM中的硬件是虚拟的，由VMM创建和管理。这些虚拟设备通常会有特定的设备ID或名称，与物理硬件不同。
检测方法:
PCI/PCIe设备枚举: OS可以通过枚举PCI/PCIe总线上的设备来查找设备ID和厂商ID。虚拟网卡（如VMware VMXNET3, Intel E1000E）、虚拟硬盘控制器（如LSI Logic SAS, VMware PVSCSI）、虚拟GPU等都有特定的厂商ID和设备ID。OS可以将这些ID与已知的物理硬件ID进行比对。
驱动程序加载: 当OS尝试加载特定硬件的驱动程序时，如果发现硬件不匹配（例如，尝试为Intel网卡加载驱动，但实际检测到的是VMware网卡），它就能推断出环境。
设备名称: OS也可以检查设备管理器中列出的设备名称。例如，在Windows中，可能会看到 "VMware Virtual SCSI Controller" 或 "Microsoft HyperV Video"。
优缺点: 这是非常有效的方法，因为几乎所有的VMM都会提供具有特定标识的虚拟设备。然而，一些非常隐蔽的VM（如某些安全研究中的沙箱）可能会尽量模拟真实的物理设备。

4. 通过内存区域检查（特别是高内存地址）

原理: 在某些旧的x86系统中，BIOS或固件会在高内存地址区域（例如 `0xF0000` 到 `0xFFFFF`）写入一些信息。VMM可能会在这些区域放置特定的标记。此外，一些VMM会分配一些特殊的内存页面，这些页面的行为或内容是唯一的。
检测方法: OS可以扫描特定的内存地址范围，寻找预定义的签名或字符串。
优缺点: 这种方法可能不是非常可靠，因为VMM的内存管理方式在不断变化，且OS也可能误判。

5. 通过特权指令和系统调用行为异常

原理: 某些指令在物理CPU上执行会触发特定的行为或产生特定的返回值。VMM会拦截这些指令，并模拟其行为。如果模拟不完美，或者VMM的拦截机制本身可以被检测到，OS就能识别出VM。
检测方法:
执行未定义指令: 在某些情况下，执行一些尚未标准化的或特定于CPU架构的指令，物理CPU和模拟CPU的响应可能不同。
VMExit事件: 在硬件辅助虚拟化（VTx, AMDV）中，当Guest OS执行某些敏感指令（如 `IN`, `OUT`, `MOV CR`, `CPUID` 等）时，CPU会触发一个“VMExit”事件，将控制权交还给VMM。OS可以通过检测这些异常的控制流转移来推断自己在VM中。但这需要OS能够访问VMM层面的信息，通常是在特定的驱动或用户空间工具中进行。
时间戳计数器 (TSC) 行为: TSC是CPU的一个寄存器，每时钟周期递增。在VM中，TSC可能会受到VMM的调整（例如，为了模拟不同的CPU速度或保持多个VM之间的同步）。OS可以测量TSC的增长率，并与预期的物理时钟频率进行比较。
优缺点: 这是更底层的检测方法，理论上更难被绕过，但需要OS更深入地理解CPU架构和虚拟化技术。检测VMExit事件通常需要特殊的内核模块或API。

6. 通过软件层面的检测（Usermode/Kernelmode Interaction）

原理: 有些VM提供特定的软件接口，供Guest OS或用户空间的应用程序使用。
检测方法:
HyperV 提供的 VMBus: HyperV 提供了 VMBus，这是一个用于Guest和Host之间通信的通道。Guest OS可以尝试连接到VMBus，如果成功，则表明其在HyperV环境中。
VMware Tools/Guest Additions: 这些工具包会安装一些特殊的驱动程序和服务，它们通常会检测到自己的虚拟化环境，并将信息暴露给OS。OS可以检查这些服务或驱动程序的注册表项、进程或文件。
特定的系统API调用: 一些VMM会在Guest OS中安装特殊的API函数，例如，调用某个特定函数可以获取VM相关的信息。
优缺点: 这种方法依赖于安装了特定的工具或驱动，这并非总是可用的。但如果工具存在，它是非常直接和方便的检测方式。

为什么有些时候OS可能不知道自己在虚拟机中？

尽管有上述多种检测手段，但并非所有OS都能百分之百地确定自己处于VM中，原因如下：

1. VMM的完美模拟: 最先进的VMM（如现代版本的VMware ESXi, KVM, HyperV）会尽力模拟物理硬件，使得Guest OS在检测时看到的CPU、芯片组、I/O设备等信息都与物理机非常相似。CPUID信息可能被精心伪装。
2. VMM的配置选项: VMM允许管理员配置虚拟机的属性，包括硬件标识信息。管理员可以选择不暴露任何VMware、KVM等标识，而是尽可能模仿标准的PC硬件。
3. OS的检测能力限制: OS本身的检测机制可能比较基础，只包含一两种方法。如果这些方法被VMM完美绕过，OS就无法检测到。
4. 精简模式的Hypervisor: 一些设计用于安全分析或特定用途的虚拟化技术（如某些沙箱环境）可能并不提供完整的模拟，而是只执行必要的指令集，或者使用非常轻量级的模拟，以至于一些典型的检测方法不适用。
5. 安全和混淆技术: 一些反检测技术会被故意集成到VMM中，以欺骗Guest OS。

总结

操作系统可以通过多种方式检测自己是否处于虚拟机中，包括检查CPUID信息、读取特定I/O端口和内存区域、枚举虚拟硬件设备、分析特权指令的行为以及利用特定的软件接口。这些检测技术的核心在于识别底层环境与物理硬件之间的差异。

然而，随着虚拟机技术的不断发展，虚拟机监控程序在模拟物理硬件方面做得越来越好，使得检测的难度不断增加。反过来，操作系统和安全研究人员也在不断开发新的、更复杂的检测方法来识别虚拟化环境。这是一个持续的“猫捉老鼠”的游戏。

网友意见

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目前虚拟机环境检测有两个“金标准”，分别是Al-khaser和Pafish。这两个开源项目几乎一网打尽了所有公开常见的VM检测技术。下面简要分析一下它们的技术原理。

一、硬件信息检测

首先大概说说操作系统是怎么知道这台计算机安了哪些设备的。计算机启动的时候，主板固件会给OS传两个信息表，分别是ACPI和SMBIOS。ACPI表有很多部分，其中硬件信息主要集中在DSDT和SSDT这两部分。

ACPI表的每个部分开头都有一个OEM ID和OEM Table ID，这是第一个容易露馅的地方，例如QEMU默认将OEM ID写为BOCHS，将OEM Table ID写为BXPC + 部分名称，如DSDT部分就写成“BXPCDSDT”。

虚拟机的ACPI表中往往会存在一些现实中不存在的硬件，用于主客机间通讯，这是第二个容易露馅的地方，例如QEMU的DSDT表中会有DBUG和FWCF这两个硬件。

计算机中大部分设备的信息并不写在ACPI和SMBIOS表中。像显卡、声卡、网卡、USB这些都属于PCI设备，与PCI控制器相连。PCI控制器本身提供一个接口，可以列出所有检测到的PCI设备。每个PCI设备有四个用来亮明身份的代号，分别是Vendor ID, Device ID, Subsystem ID, Class ID。一般来说，OS检测到PCI设备时，会首先根据Vendor ID和Device ID搜索驱动；如果搜不到驱动，则会根据Class ID查找是否有这一类设备的通用驱动。

虚拟机模拟出的PCI设备，其身份代号往往采用特定数字，这是第三个容易露馅的地方，例如QEMU模拟出的VirtIO设备，其Vendor ID多为0x1AF4。

相比于ACPI，SMBIOS对系统的正常运行没有那么重要。但是Windows的“系统信息”工具显示的内容，多半都来自SMBIOS表，这是第四个容易露馅的地方，例如目前主流的虚拟机固件是OVMF，那么虚拟机里面“系统信息”就会显示出OVMF的信息。

有些恶意软件会通过检测系统是否有风扇和热区域（Thermal Zone）来判断是否处于虚拟环境。目前所有版本的Windows，都是从SMBIOS表中读取风扇信息，从ACPI表中读取Thermal Zone信息。但是正常的商业软件一般不使用此方法判定，因为很多正常的笔记本电脑也没有在SMBIOS表中写入风扇信息。

此外还有硬盘产品名、序列号、声卡ID、网卡MAC地址等容易带有虚拟机特征的地方。

二、CPU信息检测

x86 CPU本身有一条指令叫CPUID，用于探测该CPU所支持的功能，例如是否支持SSE指令集等。有些功能虚拟机无法模拟，就会屏蔽掉相关功能的信息，这是第五个容易露馅的地方。

早期虚拟化技术不完善的时候，虚拟机软件需要挪动一些重要数据结构的位置，例如中断表（IDT）等。著名的Red Pill程序就是靠读取这些结构的地址来判定虚拟环境。但是后来有了Intel VT-x等硬件虚拟化技术，以及KVM以后，这些检测方法就基本被淘汰了。

基于KVM的客机，如果将EAX寄存器置为0x40000000，并执行CPUID指令，会在EBX、ECX、EDX寄存器中读取到字符串“KVMKVMKVM”，这是第六个容易露馅的地方。

三、驱动信息检测

在有Linux KVM之前，各虚拟机软件用的几乎都是半虚拟化（Paravirtualization），也就是必须对客机软件做一定修改才能在虚拟机中正常运行。例如VMWare虚拟机需要在客机中安装一些驱动程序，这些驱动的信息中都带有VMWare标识，这是第七个容易露馅的地方。

KVM实现的是全虚拟化，不需要对客机做任何修改，所以不必担心这些问题。但是，按默认配置的QEMU虚拟机会带有很多VirtIO接口的设备，这些设备的驱动也会留下虚拟机的痕迹，需要当心。

四、计时检测

x86 CPU中有一个精度极高的计时器，称为TSC计时器，可以精确到CPU时钟周期数。那么可以执行一段CPU指令，并将消耗的时间与正常CPU上消耗的时间进行对比，如果明显高于正常值，就可判定处于虚拟机环境。

目前最常用的方法是，在两次读取TSC计时器之间，执行一次CPUID指令。前文说到，虚拟机软件一般会特殊处理CPUID指令，屏蔽掉一些无法模拟的功能的信息，执行这些操作所需的时间远多于正常CPU上执行一次CPUID所需的时间，这是第八个容易露馅的地方。

目前没有简单的办法可以骗过计时检测，所有已知方案都需要用特制的Linux内核和特制的QEMU软件配合。

但是近几年来，虚拟机环境检测已经没那么重要了。这是因为微软在Windows 10上大力推广Hyper-V技术，有相当数量的用户自己都不知道自己处于虚拟机环境。例如，只要在Windows 10 Home的Windows Defender中开启Memory Integrity或Core Isolation功能，就等同于开启Hyper-V，并让Windows运行在虚拟机环境下。

于是有很多网游反作弊系统，只要检测到开启了Hyper-V，就放弃检测虚拟机环境。于是在Linux界就有了一种神奇的操作，先用KVM开Windows虚拟机，然后在Windows中开启Hyper-V，这样就能愉快地玩各种3A巨作了。

当然这种操作需要CPU和Hypervisor支持Nested Virtualization，然而Windows的Hyper-V长期以来不支持AMD的Nesting，会在启动时卡死。直到2020年6月，微软才宣布Windows 10 Insider的Hyper-V开始支持嵌套虚拟化。最近国外Reddit上有人报告使用5.11.6版本的Linux内核（无需打补丁），配合4.2版本的QEMU，可以在AMD系统上正常启动Windows 10 20H2并开启Hyper-V，可能是Linux KVM那边做了改进。

既然这么多人看我就再写一写怎么绕开这些虚拟机检测方法。我日常电脑装的是Linux，平时用Linux KVM + QEMU方案跑Windows虚拟机。QEMU是开源的虚拟机Hypervisor，命令行参数非常灵活，有另一个开源项目libvirt专门帮助配置QEMU的参数。下面的内容都是基于KVM + QEMU + libvirt。我从简单的操作写起，比较难隐藏的东西放到后面。

1）CPU信息：打开libvirt的XML配置，找到<cpu>段落，将mode设为host-passthrough，然后段落里面添加一行

       <feature policy="disable" name="hypervisor"/>

找到<os>段落，里面添加一行

       <smbios mode="host"/>

2）KVM Hypervisor信息：XML配置中找到<features>段落，里面添加几行

       <hyperv>   <vendor_id state="on" value="random"/> </hyperv> <kvm>   <hidden state="on"/> </kvm>

3）硬盘产品名、序列号：将Disk bus设为SCSI，Serial随便填写，添加一个SCSI Controller，Model填为saslsi1068，然后在XML配置中找到<disk>段落，在里面添加几行

       <vendor>Samsung</vendor> <product>20GB Harddisk</product>

此处Vendor和Product可随便填写

4）网卡：NIC Device Model选rtl8139，然后用这个网站随机生成一个MAC地址填进去。

5）QEMU硬编码的ID信息：修改这些ID有两种方法，一种是下载QEMU源代码，修改硬编码ID后重新编译；另一种是直接用radare2等二进制修改工具，在QEMU可执行文件上打补丁。下面列出应当隐藏的硬编码ID对应的代码位置。（QEMU源代码见github）

ACPI OEM ID：见hw/acpi/aml-build.c中的build_header函数

ACPI DSDT中的FWCF设备：见hw/i386/acpi-build.c中的build_dsdt函数

ACPI DSDT中的DBUG设备：见hw/i386/acpi-build.c中的build_dbg_aml函数

常规PCI设备ID：见hw/pci/pci.c中的pci_set_default_subsystem_id函数

VGA设备ID：见hw/display/vga-pci.c中的vga_pci_class_init函数

声卡ID：见hw/audio/hda-codec-common.h中所有含有QEMU_HDA_ID_*宏的数据结构

VirtIO Serial设备ID：见hw/virtio/virtio-serial-pci.c中的virtio_serial_pci_class_init函数

6）风扇和热区域：利用QEMU的-acpitable参数，伪造一个ACPI SSDT表，里面填入一个Thermal Zone的信息；再利用QEMU的-smbios参数，伪造一个SMBIOS Entry Type 27，里面填入一个风扇的信息。

ACPI标准第11.7节提供了ACPI Thermal Zone的例子

SMBIOS标准第7.28节提供了SMBIOS Entry Type 27的格式说明

7）计时检测：这个绕过很麻烦，需要重新编译Linux内核，主要原理是每当遇到CPUID这种需要Hypervisor专门处理的指令时，都把TSC计时器的当前值减掉一定量，这样就抵消掉处理这些指令花掉的时间。

详见Reddit上相关讨论：
reddit.com/r/VFIO/comme
reddit.com/r/VFIO/comme
reddit.com/r/VFIO/comme
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我从网络安全的角度作答。

“如何防止操作系统或软件知道自己处于虚拟机中？”

答案很简单：不使用虚拟机！

想象这样一种情境：我想从网上下载某个免费软件，但我被杀毒软件警告，该免费软件包含病毒。由于我非常需要这个免费软件，遂决定冒险一试。为防止病毒对主机造成伤害，我利用 Oracle VM 创建了一个虚拟机，希望在虚拟机中测试这个免费软件。

请注意：在虚拟机中测试软件无法100%保证主机安全。

原因是有些恶意软件具备从虚拟机中逃逸的能力，即“反虚拟机技术（anti-virtual machine techniques）”。

唯一安全的办法是使用另一台物理隔离的计算机进行测试。该计算机不联网，不保存任何个人信息或重要文件，不做任何其他用途，只用于测试。

另外，不要依赖系统还原，那样做依然存在感染风险。

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根据软硬等价原理，如果虚拟机刻意这么做，一定可以骗过os。

但似乎没有虚拟机去费这劲做这些无聊的事情。

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