Linux內核態缺頁會發生什麼 - 玩轉Exception fixup表

近日，我在寫內核模塊的時候犯了一個低級錯誤：

• 直接access用戶態的內存而沒有使用copy_to_user/copy_from_user！

在內核看來，用戶態提供的虛擬地址是不可信的，所以在一旦在內核態訪問用戶態內存發生缺頁中斷，處理起來是非常棘手的。

Linux內核的做法是提供了一張 異常處理表 ，使用專有的函數來訪問用戶態內存。類似 try-catch塊一般。具體詳情可參見copy_to_user/copy_from_user的實現以及內核文檔Documentation/x86/exception-tables.txt的描述。

本來簡單看下這個異常處理表能怎麼玩。

首先，我們可以寫一片代碼，將內核的異常處理表dump下來：

// show_extable.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/kallsyms.h>


int (*_lookup_symbol_name)(unsigned long, char *);
unsigned long (*_get_symbol_pos)(unsigned long, void *, void *);
unsigned long start_ex, end_ex;


int init_module(void)
{
  unsigned long i;
  unsigned long orig, fixup, originsn, fixinsn, offset, size;
  char name[128], fixname[128];


  _lookup_symbol_name = (void *)kallsyms_lookup_name("lookup_symbol_name");
  _get_symbol_pos = (void *)kallsyms_lookup_name("get_symbol_pos");
  start_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__start___ex_table");
  end_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__stop___ex_table");


  // 按照exception_table_entry的sizeof從start遍歷到end。
  for(i = start_ex; i < end_ex; i += 2*sizeof(unsigned long)) {
    orig = i; // 取出exception_table_entry的insn字段地址。
    fixup = i + sizeof(unsigned int); // 取出fixup字段地址。


    originsn = orig + *(unsigned int *)orig; // 根據相對偏移字段求出絕對地址
    originsn |= 0xffffffff00000000;
    fixinsn = fixup + *(unsigned int *)fixup;
    fixinsn |= 0xffffffff00000000;
    _get_symbol_pos(originsn, &size, &offset);
    _lookup_symbol_name(originsn, name);
    _lookup_symbol_name(fixinsn, fixname);
    printk("[%lx]%s+0x%lx/0x%lx [%lx]%s\n",
        originsn,
        name,
        offset,
        size,
        fixinsn,
        fixname);
  }


  return -1;
}
MODULE_LICENSE("GPL");

我們看下輸出：

# ___sys_recvmsg+0x253位置發生異常，跳轉到ffffffff81649396處理異常。
[ 7655.267616] [ffffffff8150d7a3]___sys_recvmsg+0x253/0x2b0 [ffffffff81649396]bad_to_user
...
# create_elf_tables+0x3cf位置處如果發生異常，跳轉到ffffffff81648a07地址執行異常處理。
[ 7655.267727] [ffffffff8163250e]create_elf_tables+0x3cf/0x509 [ffffffff81648a1b]bad_gs

一般而言，類似bad_to_user，bad_from_user之類的異常處理函數都是直接返回用戶一個錯誤碼，比如Bad address之類，並不是直接用戶程序直接段錯誤，這一點和用戶態訪問非法地址直接發送SIGSEGV有所不同。比如：

#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv)
{
  int fd;
  int ret;
  char *buf = (char *)0x56; // 顯然是一個非法地址。


  fd = open("/proc/sys/net/nf_conntrack_max", O_RDWR | O_CREAT, S_IRWXU);
  perror("open");
  ret = read(fd, buf, 100);
  perror("read");
}

執行之：

[root@localhost test]# ./a.out
open: Success
read: Bad address # 沒有段錯誤，只是一個普通錯誤。

我們能不能將其行爲修改成和用戶態訪問非法地址一致呢？簡單，替換掉bad_to_user即可，代碼如下：

// fix_ex.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/kallsyms.h>


int (*_lookup_symbol_name)(unsigned long, char *);
unsigned long (*_get_symbol_pos)(unsigned long, void *, void *);
unsigned long start_ex, end_ex;
void *_bad_from_user, *_bad_to_user;


void kill_user_from(void)
{
  printk("經理！rush tighten beat electric discourse!\n");
  force_sig(SIGSEGV, current);
}


void kill_user_to(void)
{
  printk("經理！rush tighten beat electric discourse! SB 皮鞋\n");
  force_sig(SIGSEGV, current);
}


unsigned int old, new;


int (*_lookup_symbol_name)(unsigned long, char *);
unsigned long (*_get_symbol_pos)(unsigned long, void *, void *);


int hook_fixup(void *origfunc1, void *origfunc2, void *newfunc1, void *newfunc2)
{
  unsigned long i;
  unsigned long fixup, fixinsn;
  char fixname[128];




  for(i = start_ex; i < end_ex; i += 2*sizeof(unsigned long)) {
    fixup = i + sizeof(unsigned int);
    fixinsn = fixup + *(unsigned int *)fixup;
    fixinsn |= 0xffffffff00000000;
    _lookup_symbol_name(fixinsn, fixname);
    if (!strcmp(fixname, origfunc1) ||
      !strcmp(fixname, origfunc2)) {
      unsigned long new;
      unsigned int newfix;


      if (!strcmp(fixname, origfunc1)) {
        new = (unsigned long)newfunc1;
      } else {
        new = (unsigned long)newfunc2;
      }
      new -= fixup;
      newfix = (unsigned int)new;
      *(unsigned int *)fixup = newfix;
    }
  }


  return 0;
}


int init_module(void)
{
  _lookup_symbol_name = (void *)kallsyms_lookup_name("lookup_symbol_name");
  _get_symbol_pos = (void *)kallsyms_lookup_name("get_symbol_pos");
  _bad_from_user = (void *)kallsyms_lookup_name("bad_from_user");
  _bad_to_user = (void *)kallsyms_lookup_name("bad_to_user");
  start_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__start___ex_table");
  end_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__stop___ex_table");


  hook_fixup("bad_from_user", "bad_to_user", kill_user_from, kill_user_to);
  return 0;
}
void cleanup_module(void)
{
  hook_fixup("kill_user_from", "kill_user_to", _bad_from_user, _bad_to_user);
}


MODULE_LICENSE("GPL");

編譯，加載，重新執行我們的a.out：

[root@localhost test]# insmod ./fix_ex.ko
[root@localhost test]# ./a.out
open: Success
段錯誤
[root@localhost test]# dmesg
[ 8686.091738] 經理！rush tighten beat electric discourse! SB 皮鞋
[root@localhost test]#

發生了段錯誤，並且打印出了讓經理趕緊打電話的句子。

其實，我的目的並不是這樣的，我真正的意思是，Linux的異常處理鏈表，又是一個藏污納垢的好地方，我們可以在上面的hook函數中藏一些代碼，比如說inline hook之類的，然後呢？然後靜悄悄地等待用戶態進程的bug導致異常處理被執行。將代碼注入的時間線拉長，從而更難讓運維和經理注意到。

讓代碼注入的時間點和模塊插入的時間點分開，讓事情更加混亂。不過，注意好隱藏模塊或者oneshot哦。

浙江溫州皮鞋溼，下雨進水不會胖。

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原文鏈接：

https://blog.csdn.net/dog250/article/details/106105523

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