Inline Hook Syscall详解

Linux阅码场 2022-06-16 2970

描述

1. hook一般syscall

在安全、性能分析等领域，经常会需要对系统调用syscall进行hook。有些模块在kernel代码中已经预先hook，例如syscall trace event。

通常syscall使用sys_call_table[]数组来间接调用：

kernelarchx86kernelentry_64.S:
ENTRY(system_call)
  call *sys_call_table(,%rax,8)  # XXX:   rip relative

sys_call_table[]数组中保存的是所有系统调用的函数指针：

#define __SYSCALL(nr, sym) [nr] = sym,
const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {    #define __NR_read        0    __SYSCALL(__NR_read, sys_read)    #define __NR_write        1    __SYSCALL(__NR_write, sys_write)    #define __NR_open        2    __SYSCALL(__NR_open, sys_open)    #define __NR_close        3    __SYSCALL(__NR_close, sys_close)
    ...};

对于其他没有预置代码的模块来说，需要在运行的时候动态hook，通常我们使用inline hook。inline hook的好处是hook完以后，运行时零开销。

实例代码：

void syscallxxx_hook_init(void){  unsigned long *sct;    void ** g_syscall_table;
    g_syscall_table = (void **)kallsyms_lookup_name("sys_call_table");      make_kernel_page_readwrite();  preempt_disable();      /* (1) 备份原有g_syscall_table[]数组中的函数指针 */  orig_syscallxxx = (void *)g_syscall_table[__NR_syscallxxx];    /* (2) 把g_syscall_table[]数组值改为新的函数指针 */  sct[__NR_syscallxxx] = (unsigned long)new_syscallxxx;    preempt_enable();  make_kernel_page_readonly();}
↓
asmlinkage long new_syscallxxx(...){  long rc;      /* (2.1) 做一些hook增加的事情 */  rc = do_something(...);  if (0 != rc)      return rc;       /* (2.2) 调用原有的syscall处理 */  return orig_syscallxxx(....); }

这种hook方式在大部分情况下工作正常，但是某些特殊的系统调用会工作异常。

2. hook stub syscall

2.1 stub_xxx 原理

在4.5版本及以下的内核中，x86架构对某些系统调用有特殊处理。我们可以在sys_call_table[]数组中看到的函数不是sys_xxx而是stub_xxx：

const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
    #define __NR_rt_sigreturn      15    __SYSCALL(__NR_rt_sigreturn, stub_rt_sigreturn)
    #define __NR_clone        56    __SYSCALL(__NR_clone, stub_clone)    #define __NR_fork        57    __SYSCALL(__NR_fork, stub_fork)    #define __NR_vfork        58    __SYSCALL(__NR_vfork, stub_vfork)    #define __NR_execve        59    __SYSCALL(__NR_execve, stub_execve)
    #define __NR_sigaltstack      131    __SYSCALL(__NR_sigaltstack, stub_sigaltstack)
    #define __NR_iopl        172    __SYSCALL(__NR_iopl, stub_iopl)    ...};

这有点出乎我们的意料，字面上理解是一些桩函数，我们看看其具体做了些什么：

kernelarchx86kernelentry_64.S:
/* * Certain special system calls that need to save a complete full stack frame. */  .macro PTREGSCALL label,func,argENTRY(label)  PARTIAL_FRAME 1 8    /* offset 8: return address */  subq $REST_SKIP, %rsp  CFI_ADJUST_CFA_OFFSET REST_SKIP  call save_rest  DEFAULT_FRAME -2 8    /* offset 8: return address */  leaq 8(%rsp), arg  /* pt_regs pointer */  call func              /* (1.1) 调用实际的系统调用sys_xxx()函数 */  jmp ptregscall_common  CFI_ENDPROCEND(label)  .endm
    /* (1) stub_clone/fork/vfork/sigaltstack/iopl 函数的定义 */  PTREGSCALL stub_clone, sys_clone, %r8  PTREGSCALL stub_fork, sys_fork, %rdi  PTREGSCALL stub_vfork, sys_vfork, %rdi  PTREGSCALL stub_sigaltstack, sys_sigaltstack, %rdx  PTREGSCALL stub_iopl, sys_iopl, %rsi
ENTRY(ptregscall_common)  DEFAULT_FRAME 1 8  /* offset 8: return address */  RESTORE_TOP_OF_STACK %r11, 8  movq_cfi_restore R15+8, r15  movq_cfi_restore R14+8, r14  movq_cfi_restore R13+8, r13  movq_cfi_restore R12+8, r12  movq_cfi_restore RBP+8, rbp  movq_cfi_restore RBX+8, rbx  ret $REST_SKIP    /* pop extended registers */  CFI_ENDPROCEND(ptregscall_common)
    /* (2) stub_execve函数的定义 */ENTRY(stub_execve)  CFI_STARTPROC  addq $8, %rsp  PARTIAL_FRAME 0  SAVE_REST  FIXUP_TOP_OF_STACK %r11  movq %rsp, %rcx  call sys_execve             /* (2.1) 调用实际的系统调用sys_execve()函数 */  RESTORE_TOP_OF_STACK %r11  movq %rax,RAX(%rsp)  RESTORE_REST  jmp int_ret_from_sys_call  CFI_ENDPROCEND(stub_execve)
/* * sigreturn is special because it needs to restore all registers on return. * This cannot be done with SYSRET, so use the IRET return path instead. */    /* (3) stub_rt_sigreturn函数的定义 */ENTRY(stub_rt_sigreturn)  CFI_STARTPROC  addq $8, %rsp  PARTIAL_FRAME 0  SAVE_REST  movq %rsp,%rdi  FIXUP_TOP_OF_STACK %r11  call sys_rt_sigreturn       /* (3.1) 调用实际的系统调用sys_rt_sigreturn()函数 */  movq %rax,RAX(%rsp) # fixme, this could be done at the higher layer  RESTORE_REST  jmp int_ret_from_sys_call  CFI_ENDPROCEND(stub_rt_sigreturn)

为什么系统要对这几个系统调用做stub_xxx的特殊处理？

注释中的一段话说明了大概原因：

/* * Certain special system calls that need to save a complete full stack frame. * 某些特殊的系统调用需要保存完整的完整堆栈帧。 */

针对这类特殊的系统调用，我们有两种方法来进行hook。

2.2 方法1：hook stub_xxx

第一种方法我们还是继续替换sys_call_table[]数组中函数指针，但是要自己处理hook函数的栈平衡。

写一段自己的stub_new_syscallxxx函数来替换原有的stub_syscallxxx函数：

stub_new_syscallxxx:    /**     * (1.1) 保存寄存器状态, 保证之后调用原来的stub_syscallxxx的时候CPU执行环境一致     * 其中rdi,rsi,rdx,rcx,rax,r8,r9,r10,r11保存sysenter的参数，rbx作为临时变量     */    pushq   %rbx    pushq   %rdi    pushq   %rsi    pushq   %rdx    pushq   %rcx    pushq   %rax    pushq   %r8    pushq   %r9    pushq   %r10    pushq   %r11   /* (1.2) 调用自己的hook函数 */    call    new_syscallxxx    test    %rax, %rax    movq    %rax, %rbx     /* (1.3) 恢复寄存器状态 */    pop     %r11    pop     %r10    pop     %r9    pop     %r8    pop     %rax    pop     %rcx    pop     %rdx    pop     %rsi    pop     %rdi     jz      new_syscallxxx_done        /* (2.1) new_syscallxxx返回值为非0时 */    movq    %rbx, %rax    pop     %rbx    ret   /* 这里不一定要jmp int_ret_from_sys_call，反正syscallxxx已经被我们拦截了 */        /* (2.2) new_syscallxxx返回值为0时 */new_syscallxxx_done:    pop     %rbx    jmp     *orig_sys_call_table(, %rax, 8) /* 调用原始的stub_syscallxxx */

这种方法要小心处理调用堆栈，在我们hook函数运行之前要小心的保护堆栈，在hook函数运行完成后要完全恢复堆栈。而且不方便实现post hook。

2.3 方法2：hook call sys_xxx

另一种方法我们替换stub_syscallxxx函数中的call sys_syscallxxx语句。例如：

ENTRY(stub_execve)  CFI_STARTPROC  addq $8, %rsp  PARTIAL_FRAME 0  SAVE_REST  FIXUP_TOP_OF_STACK %r11  movq %rsp, %rcx  call sys_execve             // 替换call语句中的sys_execve为new_sys_execve  RESTORE_TOP_OF_STACK %r11  movq %rax,RAX(%rsp)  RESTORE_REST  jmp int_ret_from_sys_call  CFI_ENDPROCEND(stub_execve)

查看原始指令码：

(gdb) disassemble /r stub_execveDump of assembler code for function stub_execve:   0xffffffff8146f7e0 <+0>:     48 83 c4 08     add    $0x8,%rsp   ...   0xffffffff8146f847 <+103>:   e8 74 b2 b9 ff  callq  0xffffffff8100aac0   // call sys_execve   ...   0xffffffff8146f890 <+176>:   e9 77 fd ff ff  jmpq   0xffffffff8146f60c End of assembler dump.(gdb) p sys_execve$2 = {long (const char *, const char * const *, const char * const *, struct pt_regs *)} 0xffffffff8100aac0

我们可以看到call sys_execve对应的命令码为e8 74 b2 b9 ff，其中：

e8对应call指令。
ffb9b274表示被调用函数和当前pc的偏移：

被call函数地址 - 当前地址 - 当前指令长度 = offset0xffffffff8100aac0 - 0xffffffff8146f847 - 5 = 0xFFFFFFFFFFB9B274 & 0xFFFFFFFF = 0xFFB9B274

所以我们只要定义个参数完全一致的新函数new_sys_execve()，把sys_execve()的对应偏移ffb9b274替换成new_sys_execve()的相对偏移即可。

static asmlinkage long new_sys_execve(const char __user * filename,        const char __user * const __user * argv,        const char __user * const __user * envp, struct pt_regs *regs) {  size_t exec_line_size;  char * exec_str = NULL;  char ** p_argv = (char **) argv;    long ret = 0;
    /* (1) pre hook 点 */
  /* Finally, call the original sys_execve */    /* (2) 调用原始系统调用 */  ret = orig_sys_execve_fn(filename, argv, envp, regs);
    /* (3) post hook 点 */    printk("orig_sys_execve_fn ret = %d
", ret);
    return ret;}

具体代码放在inlinehook_syscall_example。

参考文档：

1.x86平台inline hook原理和实现

2.execmon

3.Linux x64下hook系统调用execve的正确方法

审核编辑：李倩

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