手把手教你｜攔截系統(tǒng)調用
一、什么是系統(tǒng)調用
系統(tǒng)調用?是內核提供給應用程序使用的功能函數(shù)，由于應用程序一般運行在?用戶態(tài)，處于用戶態(tài)的進程有諸多限制（如不能進行 I/O 操作），所以有些功能必須由內核代勞完成。而內核就是通過向應用層提供?系統(tǒng)調用，來完成一些在用戶態(tài)不能完成的工作。
說白了，系統(tǒng)調用其實就是函數(shù)調用，只不過調用的是內核態(tài)的函數(shù)。但與普通的函數(shù)調用不同，系統(tǒng)調用不能使用?call?指令來調用，而是需要使用?軟中斷?來調用。在 Linux 系統(tǒng)中，系統(tǒng)調用一般使用?int 0x80?指令（x86）或者?syscall?指令（x64）來調用。
下面我們以?int 0x80?指令（x86）調用方式為例，來說明系統(tǒng)調用的原理。
二、系統(tǒng)調用原理
在 Linux 內核中，使用?sys_call_table?數(shù)組來保存所有系統(tǒng)調用，sys_call_table?數(shù)組每一個元素代表著一個系統(tǒng)調用的入口，其定義如下：
typedef?void?(*sys_call_ptr_t)(void);
const?sys_call_ptr_t?sys_call_table[__NR_syscall_max+1]?=?{
????...
};
當應用程序需要調用一個系統(tǒng)調用時，首先需要將要調用的系統(tǒng)調用號（也就是系統(tǒng)調用所在?sys_call_table?數(shù)組的索引）放置到?eax?寄存器中，然后通過使用?int 0x80?指令觸發(fā)調用?0x80?號軟中斷服務。
0x80?號軟中斷服務，會通過以下代碼來調用系統(tǒng)調用，如下所示：
...
call *sys_call_table(,%eax,8)
...
上面的代碼會根據(jù)?eax?寄存器中的值來調用正確的系統(tǒng)調用，其過程如下圖所示：
三、系統(tǒng)調用攔截
了解了系統(tǒng)調用的原理后，要攔截系統(tǒng)調用就很簡單了。那么如何攔截呢？
做法就是：我們只需要把?sys_call_table?數(shù)組的系統(tǒng)調用換成我們自己編寫的函數(shù)入口即可。比如，我們想要攔截?write()?系統(tǒng)調用，那么只需要將?sys_call_table?數(shù)組的第一個元素換成我們編寫好的函數(shù)（因為?write()?系統(tǒng)調用在?sys_call_table?數(shù)組的索引為1）。
要修改?sys_call_table?數(shù)組元素的值，步驟如下：
1. 獲取?sys_call_table?數(shù)組的地址
要修改?
sys_call_table?數(shù)組元素的值，一般需要通過內核模塊來完成。因為用戶態(tài)程序由于內存保護機制，不能改寫內核態(tài)的數(shù)據(jù)。而內核模塊運行在內核態(tài)，所以能夠跳過這個限制。
要修改?sys_call_table?數(shù)組元素的值，首先要獲取?sys_call_table?數(shù)組的虛擬內存地址（由于?sys_call_table?變量不是一個導出符號，所以內核模塊不能直接使用）。
要獲取?sys_call_table?數(shù)組的虛擬內存地址有兩種方法：
第一種方法：從?System.map?文件中讀取
System.map?是一份內核符號表，包含了內核中的變量名和函數(shù)名地址，在每次編譯內核時，自動生成。獲取?sys_call_table?數(shù)組的虛擬地址使用如下命令：
sudo?cat?/boot/System.map-`uname?-r`?|?grep?sys_call_table
結果如下圖所示：
從上圖可知，sys_call_table?數(shù)組的虛擬地址為：ffffffff818001c0。
第二種方法：通過?kallsyms_lookup_name()?函數(shù)來獲取
從?System.map?文件中讀取的方法不是很優(yōu)雅，所以內核提供了一個名為?kallsyms_lookup_name()?的函數(shù)來獲取內核變量和內核函數(shù)的虛擬內存地址。
kallsyms_lookup_name()?函數(shù)的使用很簡單，只需要傳入要獲取虛擬內存地址的變量名即可，如下代碼所示：
#include?
void?func()?{
????...
????unsigned?long?*sys_call_table;
????//?獲取?sys_call_table?的虛擬內存地址
????sys_call_table?=?(unsigned?long?*)kallsyms_lookup_name("sys_call_table");
????...
}
2. 設置 sys_call_table 數(shù)組為可寫狀態(tài)
是不是獲取到?sys_call_table?數(shù)組的虛擬地址就可以修改其元素的值呢？沒那么簡單。
由于?sys_call_table?數(shù)組處于寫保護區(qū)域，并不能直接修改其內容。但有兩種方法可以將寫保護暫時關閉，如下：
第一種方法：將?cr0?寄存器的第 16 位設置為零
cr0?控制寄存器的第 16 位是寫保護位，若設置為零，則允許超級權限往內核中寫入數(shù)據(jù)。這樣我們可以在修改?sys_call_table?數(shù)組的值前，將?cr0?寄存器的第 16 位清零，使其可以修改?sys_call_table?數(shù)組的內容。當修改完后，又將那一位復原即可。
代碼如下：
/*
?*?設置cr0寄存器的第16位為0
?*/
unsigned?int?clear_and_return_cr0(void)
{
????unsigned?int?cr0?=?0;
????unsigned?int?ret;
????/*?將cr0寄存器的值移動到rax寄存器中，同時輸出到cr0變量中?*/
????asm?volatile?("movq?%%cr0,?%%rax"?:?"=a"(cr0));
????ret?=?cr0;
????cr0?&=?0xfffeffff;??/*?將cr0變量值中的第16位清0，將修改后的值寫入cr0寄存器?*/
????/*?讀取cr0的值到rax寄存器，再將rax寄存器的值放入cr0中?*/
????asm?volatile?("movq?%%rax,?%%cr0"?::?"a"(cr0));
????return?ret;
}
/*
?*?還原cr0寄存器的值為val
?*/
void?setback_cr0(unsigned?int?val)
{
????asm?volatile?("movq?%%rax,?%%cr0"?::?"a"(val));
}
第二種方法：設置虛擬地址對應頁表項的讀寫屬性
由于?x86 CPU?的內存保護機制是通過虛擬內存頁表來實現(xiàn)的（可以參考這篇文章：漫談內存映射），所以我們只需要把?sys_call_table?數(shù)組的虛擬內存頁表項中的保護標志位清空即可，代碼如下：
/*
?*?把虛擬內存地址設置為可寫
?*/
int?make_rw(unsigned?long?address)
{
????unsigned?int?level;
????//查找虛擬地址所在的頁表地址
????pte_t?*pte?=?lookup_address(address,?&level);
????if?(pte->pte?&?~_PAGE_RW)??//設置頁表讀寫屬性
????????pte->pte?|=??_PAGE_RW;
????return?0;
}
/*
?*?把虛擬內存地址設置為只讀
?*/
int?make_ro(unsigned?long?address)
{
????unsigned?int?level;
????pte_t?*pte?=?lookup_address(address,?&level);
????pte->pte?&=?~_PAGE_RW;??//設置只讀屬性
????return?0;
}
3. 修改?sys_call_table?數(shù)組的內容
萬事俱備，只欠東風。前面我們把準備工作都做完了，現(xiàn)在只需要把?sys_call_table?數(shù)組中的系統(tǒng)調用入口替換成我們編寫的函數(shù)入口即可。
我們可以在內核模塊初始化函數(shù)修改?sys_call_table?數(shù)組的值，然后在內核模塊退出函數(shù)改回成原來的值即可，完整代碼如下：
/*
?*?File:?syscall.c
?*/
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
unsigned?long?*sys_call_table;
unsigned?int?clear_and_return_cr0(void);
void?setback_cr0(unsigned?int?val);
static?int?sys_hackcall(void);
unsigned?long?*sys_call_table?=?0;
/*?定義一個函數(shù)指針，用來保存原來的系統(tǒng)調用*/
static?int?(*orig_syscall_saved)(void);
/*
?*?設置cr0寄存器的第16位為0
?*/
unsigned?int?clear_and_return_cr0(void)
{
????unsigned?int?cr0?=?0;
????unsigned?int?ret;
????/*?將cr0寄存器的值移動到rax寄存器中，同時輸出到cr0變量中?*/
????asm?volatile?("movq?%%cr0,?%%rax"?:?"=a"(cr0));
????ret?=?cr0;
????cr0?&=?0xfffeffff;??/*?將cr0變量值中的第16位清0，將修改后的值寫入cr0寄存器?*/
????/*?讀取cr0的值到rax寄存器，再將rax寄存器的值放入cr0中?*/
????asm?volatile?("movq?%%rax,?%%cr0"?::?"a"(cr0));
????return?ret;
}
/*
?*?還原cr0寄存器的值為val
?*/
void?setback_cr0(unsigned?int?val)
{
????asm?volatile?("movq?%%rax,?%%cr0"?::?"a"(val));
}
/*
?*?自己編寫的系統(tǒng)調用函數(shù)
?*/
static?int?sys_hackcall(void)
{
????printk("Hack?syscall?is?successful!!!\n");
????return?0;
}
/*
?*?模塊的初始化函數(shù)，模塊的入口函數(shù)，加載模塊時調用
?*/
static?int?__init?init_hack_module(void)
{
????int?orig_cr0;
????printk("Hack?syscall?is?starting...\n");
????/*?獲取?sys_call_table?虛擬內存地址?*/
????sys_call_table?=?(unsigned?long?*)kallsyms_lookup_name("sys_call_table");
????/*?保存原始系統(tǒng)調用?*/
????orig_syscall_saved?=?(int(*)(void))(sys_call_table[__NR_perf_event_open]);
????orig_cr0?=?clear_and_return_cr0();?/*?設置cr0寄存器的第16位為0?*/
????sys_call_table[__NR_perf_event_open]?=?(unsigned?long)&sys_hackcall;?/*?替換成我們編寫的函數(shù)?*/
????setback_cr0(orig_cr0);?/*?還原cr0寄存器的值?*/
????return?0;
}
/*
?*?模塊退出函數(shù)，卸載模塊時調用
?*/
static?void?__exit?exit_hack_module(void)
{
????int?orig_cr0;
????orig_cr0?=?clear_and_return_cr0();
????sys_call_table[__NR_perf_event_open]?=?(unsigned?long)orig_syscall_saved;?/*?設置為原來的系統(tǒng)調用?*/
????setback_cr0(orig_cr0);
????printk("Hack?syscall?is?exited....\n");
}
module_init(init_hack_module);
module_exit(exit_hack_module);
MODULE_LICENSE("GPL");
在上面代碼中，我們將?perf_event_open()?系統(tǒng)調用替換成了我們自己實現(xiàn)的函數(shù)。
注意：測試時最好使用冷門的系統(tǒng)調用，否則可能會導致系統(tǒng)崩潰。
4. 編寫 Makefile 文件
為了編譯方便，我們編寫一個 Makefile 文件來進行編譯，如下所示：
obj-m:=syscall.o
PWD:=?$(shell?pwd)
KERNELDIR:=?/lib/modules/$(shell?uname?-r)/build
EXTRA_CFLAGS=?-O0
all:
????make?-C?$(KERNELDIR)??M=$(PWD)?modules
clean:
????make?-C?$(KERNELDIR)?M=$(PWD)?clean
要注意添加?EXTRA_CFLAGS= -O0?關閉 gcc 優(yōu)化選項，避免插入模塊出錯。
5. 測試程序
現(xiàn)在，我們編寫一個測試程序來測試一下系統(tǒng)調用攔截是否成功，代碼如下：
#include?
#include?
#include?
int?main(void)
{
????unsigned?long?ret?=?syscall(__NR_perf_event_open,?NULL,?0,?0,?0,?0);
????printf("%d\n",?(int)ret);
????return?0;
}
6. 運行結果
第一步：安裝攔截內核模塊
使用以下命令安裝內核模塊：
root# insmod syscall.ko
然后通過?dmesg?命令來觀察系統(tǒng)日志，可以看到以下輸出：
...
[ 133.564652] Hack syscall is starting...
這說明我們的內核模塊安裝成功。
第二步：運行測試程序
接著，我們運行剛才編寫的測試程序，然后觀察系統(tǒng)日志，輸出如下：
...
[ 532.243714] Hack syscall is successful!!!
這說明攔截系統(tǒng)調用成功了。