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[12928] 2018-07-10_如何利用Ptrace拦截和模拟Linux系统调用

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2018-07-10_如何利用Ptrace拦截和模拟Linux系统调用 如 何 利 用 P t r a c e 拦 截 和 模 拟 L i n u x 系 统 调 用 A l p h a _ h 4 c k   F r e e B u f   2 0 1 8 - 0 7 - 1 0 写 在 前 面 的 话 写 在 前 面 的 话 p t r a c e ( 2 ) 这 个 系 统 调 用 一 般 都 跟 调 试 离 不 开 关 系 ， 它 不 仅 是 类 这 个 系 统 调 用 一 般 都 跟 调 试 离 不 开 关 系 ， 它 不 仅 是 类 U n i x 系 统 中 本 地 调 试 器 监 控 实 现 的 主 要 机 制 ， 而 系 统 中 本 地 调 试 器 监 控 实 现 的 主 要 机 制 ， 而 且 它 还 是 且 它 还 是 s t r a c e 系 统 调 用 常 用 的 实 现 方 法 。 系 统 调 用 常 用 的 实 现 方 法 。 p t r a c e ( ) 系 统 调 用 函 数 提 供 了 一 个 进 程 （ 系 统 调 用 函 数 提 供 了 一 个 进 程 （ t h e   “ t r a c e r ” ） 监 察 和 控 制 另 ） 监 察 和 控 制 另 一 个 进 程 （ 一 个 进 程 （ t h e   “ t r a c e e ” ） 的 方 法 ， 它 不 仅 可 以 监 控 系 统 调 用 ， 而 且 还 能 够 检 查 和 改 变 ） 的 方 法 ， 它 不 仅 可 以 监 控 系 统 调 用 ， 而 且 还 能 够 检 查 和 改 变 “ t r a c e e ” 进 程 的 内 存 和 寄 进 程 的 内 存 和 寄 存 器 里 的 数 据 ， 甚 至 它 还 可 以 拦 截 系 统 调 用 。 存 器 里 的 数 据 ， 甚 至 它 还 可 以 拦 截 系 统 调 用 。 这 里 的 “ 拦 截 ” 我 指 的 是 t r a c e r 能 够 改 变 系 统 调 用 参 数 ， 改 变 系 统 调 用 的 返 回 值 ， 甚 至 屏 蔽 特 定 的 系 统 调 用 。 这 也 就 意 味 着 ， 一 个 t r a c e r 将 能 够 完 全 实 现 自 己 的 系 统 调 用 ， 这 就 非 常 有 趣 了 ， 也 就 是 说 ， 一 个 t r a c e r 将 可 以 模 拟 出 一 整 套 操 作 系 统 机 制 ， 而 且 这 一 切 都 不 需 要 内 核 提 供 任 何 其 他 帮 助 。 但 问 题 在 于 ， 一 个 进 程 一 次 只 能 够 绑 定 一 个 t r a c e r ， 因 此 我 们 无 法 在 调 试 进 程 （ G D B ） 的 过 程 中 模 拟 出 一 套 外 部 操 作 系 统 ， 而 另 一 个 问 题 就 是 模 拟 系 统 调 用 将 耗 费 更 多 的 资 源 开 销 。 在 这 篇 文 章 中 ， 我 将 主 要 讨 论 x 8 6 - 6 4 架 构 下 的 L i n u x   P t r a c e ， 并 且 我 还 会 使 用 到 一 些 特 定 的 L i n u x 扩 展 。 除 此 之 外 ， 我 可 能 会 忽 略 错 误 检 查 ， 但 最 终 发 布 的 完 整 源 码 将 会 解 决 这 些 问 题 。 本 文 涉 及 到 的 可 运 行 代 码 样 本 可 以 从 【 这 里 】 获 取 。 s t r a c e 在 开 始 之 前 ， 我 们 先 看 一 看 s t r a c e 的 实 现 骨 架 。 P t r a c e 一 直 都 没 有 相 应 的 使 用 标 准 ， 但 在 不 同 的 操 作 系 统 中 它 的 接 口 都 是 类 似 的 ， 尤 其 是 它 的 核 心 功 能 ， 但 多 多 少 少 都 会 有 一 些 细 微 的 差 别 。 P t r a c e ( 2 ) 的 原 型 类 似 如 下 ：
p i d 是 t r a c e e 的 进 程 I D ， 一 个 t r a c e e 一 次 只 能 绑 定 一 个 t r a c e r ， 但 一 个 t r a c e r 可 以 绑 定 多 个 t r a c e e 。 r e q u e s t 域 负 责 选 择 一 个 指 定 的 P t r a c e 函 数 ， 例 如 i o c t l ( 2 ) 接 口 。 对 于 s t r a c e 来 说 ， 只 有 下 面 是 必 须 的 ： P T R A C E _ T R A C E M E : 它 的 父 进 程 必 须 跟 踪 这 个 进 程 。 P T R A C E _ S Y S C A L L : 继 续 运 行 ， 但 是 会 在 下 一 个 系 统 调 用 入 口 暂 停 运 行 。 P T R A C E _ G E T R E G S : 获 取 t r a c e e 的 寄 存 器 备 份 。 另 外 两 个 数 据 域 ， 即 a d d r 和 d a t a ， 它 们 负 责 给 选 定 的 P t r a c e 函 数 提 供 参 数 ， 一 般 这 两 个 数 据 都 可 以 忽 略 ， 这 里 我 选 择 传 入 0 。 s t r a c e 接 口 本 质 上 是 其 他 命 令 的 前 缀 ： 我 的 最 小 化 配 置 不 包 含 任 何 参 数 ， 所 以 要 做 的 第 一 件 事 就 是 假 设 它 至 少 包 含 一 个 参 数 （ f o r k ( 2 ) ） ， 通 过 a r g v 传 递 。 在 加 载 目 标 程 序 之 前 ， 新 的 进 程 会 告 知 内 核 它 的 父 进 程 将 会 对 它 进 行 跟 踪 监 视 ， t r a c e e 将 会 被 这 个 P t r a c e 系 统 调 用 挂 起 ： 父 进 程 将 使 用 w a i t ( 2 ) 来 等 待 子 进 程 的 P T R A C E _ T R A C E M E ， 当 w a i t ( 2 ) 返 回 值 之 后 ， 子 进 程 将 会 被 挂 起 ： 在 允 许 子 进 程 继 续 运 行 之 前 ， 我 们 将 告 诉 操 作 系 统 t r a c e e 应 该 跟 它 的 父 进 程 一 起 终 止 。 真 实 场 景 下 的 s t r a c e 实 现 还 需 要 设 置 其 他 的 参 数 ， 例 如 P T R A C E _ O _ T R A C E F O R K ： 捕 捉 系 统 调 用 的 循 环 步 骤 如 下 ： 等 待 进 程 进 入 下 一 次 系 统 调 用 。 打 印 系 统 调 用 信 息 。 允 许 系 统 调 用 执 行 ， 并 等 待 返 回 结 果 。 打 印 系 统 调 用 的 返 回 值 。 P T R A C E _ S Y S C A L L 请 求 可 以 完 成 等 待 下 一 个 系 统 调 用 以 及 等 待 系 统 调 用 结 束 这 两 个 任 务 ， 跟 之 前 一 样 ， 这 里 也 需 要 使 用 w a i t ( 2 ) 来 等 待 t r a c e e 进 入 特 定 状 态 。 w a i t ( 2 ) 返 回 后 ， 线 程 寄 存 器 中 将 存 储 有 系 统 调 用 号 和 相 应 参 数 。 下 一 步 就 是 收 集 系 统 调 用 信 息 ， 在 不 同 的 系 统 架 构 中 这 一 步 的 实 现 方 式 也 不 同 。 在 x 8 6 - 6 4 中 ， 系 统 调 用 号 是 通 过 r a x 传 递 的 ， 参 数 （ 最 大 为 6 ） 将 传 递 给 r d i 、 r s i 、 r d x 、 r 1 0 、 r 8 和 r 9 。 读 取 寄 存 器 还 需 要 其 他 的 P t r a c e 调 用 ， 但 这 里 就 不 需 要 w a i t ( 2 ) 了 ， 因 为 t r a c e e 并 不 会 改 变 状 态 。 l o n g   p t r a c e ( i n t   r e q u e s t ,   p i d _ t   p i d ,   v o i d   * a d d r ,   v o i d   * d a t a ) ; $ s t r a c e   [ s t r a c e   o p t i o n s ]   p r o g r a m   [ a r g u m e n t s ] p i d _ t p i d   =   f o r k ( ) ; s w i t c h ( p i d )   {         c a s e   - 1 :   / *   e r r o r   * /                 F A T A L ( " % s " ,   s t r e r r o r ( e r r n o ) ) ;         c a s e   0 :   / *   c h i l d   * /                 p t r a c e ( P T R A C E _ T R A C E M E ,   0 ,   0 ,   0 ) ;                 e x e c v p ( a r g v [ 1 ] ,   a r g v   +   1 ) ;                 F A T A L ( " % s " ,   s t r e r r o r ( e r r n o ) ) ; } w a i t   p i d ( p i d , 0 ,   0 ) ; p t r a c e ( P T R A C E _ S E T O P T I O N S , p i d ,   0 ,   P T R A C E _ O _ E X I T K I L L ) ; p t r a c e ( P T R A C E _ S Y S C A L L , p i d ,   0 ,   0 ) ; w a i t p i d ( p i d , 0 ,   0 ) ;
接 下 来 就 是 另 一 个 P T R A C E _ S Y S C A L L 和 w a i t ( 2 ) ， 然 后 利 用 P T R A C E _ G E T R E G S 获 取 结 果 ， 结 果 将 存 储 在 r a x 中 ： 这 个 样 本 程 序 的 输 出 结 果 还 是 比 较 简 陋 的 ， 其 中 没 有 包 含 系 统 调 用 的 符 号 名 ， 并 且 每 一 个 参 数 都 是 按 数 字 形 式 打 印 的 ， 不 过 这 已 经 足 够 奠 定 系 统 调 用 拦 截 的 基 础 了 。 系 统 调 用 拦 截 系 统 调 用 拦 截 假 设 我 们 想 利 用 P t r a c e 去 实 现 一 个 类 似 O p e n B S D 的 p l e d g e ( 2 ) 这 样 的 东 西 。 基 本 思 路 如 下 ： 很 多 程 序 一 般 都 有 一 个 初 始 化 过 程 ， 这 个 过 程 需 要 涉 及 到 很 多 系 统 访 问 权 限 ， 例 如 打 开 文 件 和 绑 定 套 接 字 等 等 。 初 始 化 完 成 之 后 ， 它 们 会 进 入 主 循 环 ， 并 处 理 输 入 数 据 ， 这 里 只 需 要 使 用 到 少 量 系 统 调 用 。 在 进 入 主 循 环 之 前 ， 进 程 可 以 限 制 自 身 只 进 行 少 量 操 作 ， 如 果 程 序 存 在 漏 洞 的 话 ， p l e d g e 还 可 以 限 制 漏 洞 利 用 代 码 所 能 完 成 的 事 情 。 当 然 了 ， 我 们 不 仅 可 以 篡 改 系 统 调 用 参 数 ， 而 且 还 可 以 修 改 系 统 调 用 号 ， 并 将 其 转 换 成 一 个 不 存 在 的 系 统 调 用 ， 然 后 在 e r r n o 中 报 告 一 个 E P E R M 错 误 信 息 ： 创 建 自 定 义 的 系 统 调 用 创 建 自 定 义 的 系 统 调 用 我 将 我 新 创 建 的 模 仿 p l e d g e 的 系 统 调 用 称 为 x p l e d g e ( ) ， 我 选 择 的 系 统 调 用 号 是 1 0 0 0 0 ： 下 面 是 这 个 针 对 t r a c e e 的 系 统 调 用 完 整 接 口 实 现 ： 如 果 传 递 的 参 数 为 0 ， 则 只 允 许 执 行 一 些 基 本 的 系 统 调 用 ， 包 括 内 存 分 配 等 。 P L E D G E _ R D W R 指 定 的 是 各 种 读 写 操 作 ， 如 r e a d ( 2 ) 、 r e a d v ( 2 ) 、 p r e a d ( 2 ) 和 p r e a d v ( 2 ) 等 。 s t r u c t   u s e r _ r e g s _ s t r u c t   r e g s ; p t r a c e ( P T R A C E _ G E T R E G S , p i d ,   0 ,   & r e g s ) ; l o n g s y s c a l l   =   r e g s . o r i g _ r a x ; f p r i n t f ( s t d e r r , " % l d ( % l d ,   % l d ,   % l d ,   % l d ,   % l d ,   % l d ) " ,                 s y s c a l l ,                 ( l o n g ) r e g s . r d i ,   ( l o n g ) r e g s . r s i , ( l o n g ) r e g s . r d x ,                 ( l o n g ) r e g s . r 1 0 ,   ( l o n g ) r e g s . r 8 ,     ( l o n g ) r e g s . r 9 ) ; p t r a c e ( P T R A C E _ G E T R E G S , p i d ,   0 ,   & r e g s ) ; f p r i n t f ( s t d e r r , "   =   % l d n " ,   ( l o n g ) r e g s . r a x ) ; f o r ( ; ; )   {         / *   E n t e r   n e x t   s y s t e m   c a l l   * /         p t r a c e ( P T R A C E _ S Y S C A L L ,   p i d ,   0 ,   0 ) ;         w a i t p i d ( p i d ,   0 ,   0 ) ;         s t r u c t   u s e r _ r e g s _ s t r u c t   r e g s ;         p t r a c e ( P T R A C E _ G E T R E G S ,   p i d ,   0 ,   & r e g s ) ;         / *   I s   t h i s   s y s t e m   c a l l   p e r m i t t e d ?   * /         i n t   b l o c k e d   =   0 ;         i f   ( i s _ s y s c a l l _ b l o c k e d ( r e g s . o r i g _ r a x ) )   {                 b l o c k e d   =   1 ;                 r e g s . o r i g _ r a x   =   - 1 ;   / /   s e t   t o   i n v a l i d s y s c a l l                 p t r a c e ( P T R A C E _ S E T R E G S ,   p i d ,   0 , & r e g s ) ;         }         / *   R u n   s y s t e m   c a l l   a n d   s t o p   o n   e x i t   * /         p t r a c e ( P T R A C E _ S Y S C A L L ,   p i d ,   0 ,   0 ) ;         w a i t p i d ( p i d ,   0 ,   0 ) ;         i f   ( b l o c k e d )   {                 / *   e r r n o   =   E P E R M   * /                 r e g s . r a x   =   - E P E R M ;   / /   O p e r a t i o n   n o t p e r m i t t e d                 p t r a c e ( P T R A C E _ S E T R E G S ,   p i d ,   0 , & r e g s ) ;         } } # d e f i n e   S Y S _ x p l e d g e   1 0 0 0 0 # d e f i n e _ G N U _ S O U R C E # i n c l u d e < u n i s t d . h > # d e f i n e X P L E D G E _ R D W R     ( 1   < <   0 ) # d e f i n e X P L E D G E _ O P E N     ( 1   < <   1 ) # d e f i n e x p l e d g e ( a r g )   s y s c a l l ( S Y S _ x p l e d g e ,   a r g )
在 x p l e d g e   t r a c e r 中 ， 我 只 需 要 检 测 这 个 系 统 调 用 ： 操 作 系 统 将 返 回 E N O S Y S ， 因 为 它 不 是 一 个 真 正 的 系 统 调 用 ， 所 以 我 们 需 要 用 s u c c e s s ( 0 ) 重 写 返 回 结 果 ： 样 例 程 序 的 输 出 结 果 如 下 ： 在 t r a c e r 下 运 行 的 结 果 如 下 ： 外 部 系 统 模 拟 外 部 系 统 模 拟 L i n u x 下 的 P t r a c e 中 有 一 个 非 常 实 用 的 函 数 ： P T R A C E _ S Y S M U ， 我 们 可 以 利 用 这 个 函 数 来 实 现 系 统 模 拟 ： 此 代 码 框 架 在 相 同 系 统 架 构 中 的 测 试 结 果 都 是 能 够 稳 定 运 行 的 ， 大 家 可 以 根 据 自 己 的 需 要 来 修 改 代 码 。 感 谢 大 家 的 阅 读 ， 希 望 大 家 喜 欢 。 *   参 考 来 源 ： 参 考 来 源 ： n u l l p r o g r a m ， ， F B 小 编 小 编 A l p h a _ h 4 c k 编 译 ， 转 载 请 注 明 来 自 编 译 ， 转 载 请 注 明 来 自 F r e e B u f . C O M / * H a n d l e   e n t r a n c e   * / s w i t c h ( r e g s . o r i g _ r a x )   {         c a s e   S Y S _ p l e d g e :                 r e g i s t e r _ p l e d g e ( r e g s . r d i ) ;                 b r e a k ; } / * H a n d l e   e x i t   * / s w i t c h ( r e g s . o r i g _ r a x )   {         c a s e   S Y S _ p l e d g e :                 p t r a c e ( P T R A C E _ P O K E U S E R ,   p i d ,   R A X   *   8 , 0 ) ;                 b r e a k ; } $ . / e x a m p l e f r e a d ( " / d e v / u r a n d o m " ) [ 1 ] =   0 x c d 2 5 0 8 c 7 X P l e d g i n g . . . X P l e d g e f a i l e d :   F u n c t i o n   n o t   i m p l e m e n t e d f r e a d ( " / d e v / u r a n d o m " ) [ 2 ] =   0 x 0 b e 4 a 9 8 6 f r e a d ( " / d e v / u r a n d o m " ) [ 1 ] =   0 x 0 3 1 4 7 6 0 4 $ . / x p l e d g e   . / e x a m p l e f r e a d ( " / d e v / u r a n d o m " ) [ 1 ] =   0 x b 2 a c 3 9 c 4 X P l e d g i n g . . . f o p e n ( " / d e v / u r a n d o m " ) [ 2 ] : O p e r a t i o n   n o t   p e r m i t t e d f r e a d ( " / d e v / u r a n d o m " ) [ 1 ] =   0 x 2 e 1 b d 1 c 4 f o r ( ; ; )   {         p t r a c e ( P T R A C E _ S Y S E M U ,   p i d ,   0 ,   0 ) ;         w a i t p i d ( p i d ,   0 ,   0 ) ;         s t r u c t   u s e r _ r e g s _ s t r u c t   r e g s ;         p t r a c e ( P T R A C E _ G E T R E G S ,   p i d ,   0 ,   & r e g s ) ;         s w i t c h   ( r e g s . o r i g _ r a x )   {                 c a s e   O S _ r e a d :                         / *   . . .   * /                 c a s e   O S _ w r i t e :                         / *   . . .   * /                 c a s e   O S _ o p e n :                         / *   . . .   * /                 c a s e   O S _ e x i t :                         / *   . . .   * /                 / *   . . .   a n d   s o   o n   . . .   * /         } }
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