手把手教你｜拦截系统调用
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· 2022-01-19
一、什么是系统调用
系统调用 是内核提供给应用程序使用的功能函数，由于应用程序一般运行在 用户态，处于用户态的进程有诸多限制（如不能进行 I/O 操作），所以有些功能必须由内核代劳完成。而内核就是通过向应用层提供 系统调用，来完成一些在用户态不能完成的工作。
说白了，系统调用其实就是函数调用，只不过调用的是内核态的函数。但与普通的函数调用不同，系统调用不能使用 call 指令来调用，而是需要使用 软中断 来调用。在 Linux 系统中，系统调用一般使用 int 0x80 指令（x86）或者 syscall 指令（x64）来调用。
下面我们以 int 0x80 指令（x86）调用方式为例，来说明系统调用的原理。
二、系统调用原理
在 Linux 内核中，使用 sys_call_table 数组来保存所有系统调用，sys_call_table 数组每一个元素代表着一个系统调用的入口，其定义如下：
typedef void (*sys_call_ptr_t)(void);
const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
...
};
当应用程序需要调用一个系统调用时，首先需要将要调用的系统调用号（也就是系统调用所在 sys_call_table 数组的索引）放置到 eax 寄存器中，然后通过使用 int 0x80 指令触发调用 0x80 号软中断服务。
0x80 号软中断服务，会通过以下代码来调用系统调用，如下所示：
...
call *sys_call_table(,%eax,8)
...
上面的代码会根据 eax 寄存器中的值来调用正确的系统调用，其过程如下图所示：
三、系统调用拦截
了解了系统调用的原理后，要拦截系统调用就很简单了。那么如何拦截呢？
做法就是：我们只需要把 sys_call_table 数组的系统调用换成我们自己编写的函数入口即可。比如，我们想要拦截 write() 系统调用，那么只需要将 sys_call_table 数组的第一个元素换成我们编写好的函数（因为 write() 系统调用在 sys_call_table 数组的索引为1）。
要修改 sys_call_table 数组元素的值，步骤如下：
1. 获取 sys_call_table 数组的地址
要修改
sys_call_table数组元素的值，一般需要通过内核模块来完成。因为用户态程序由于内存保护机制，不能改写内核态的数据。而内核模块运行在内核态，所以能够跳过这个限制。
要修改 sys_call_table 数组元素的值，首先要获取 sys_call_table 数组的虚拟内存地址（由于 sys_call_table 变量不是一个导出符号，所以内核模块不能直接使用）。
要获取 sys_call_table 数组的虚拟内存地址有两种方法：
第一种方法：从 System.map 文件中读取
System.map 是一份内核符号表，包含了内核中的变量名和函数名地址，在每次编译内核时，自动生成。获取 sys_call_table 数组的虚拟地址使用如下命令：
sudo cat /boot/System.map-`uname -r` | grep sys_call_table
结果如下图所示：
从上图可知，sys_call_table 数组的虚拟地址为：ffffffff818001c0。
第二种方法：通过 kallsyms_lookup_name() 函数来获取
从 System.map 文件中读取的方法不是很优雅，所以内核提供了一个名为 kallsyms_lookup_name() 的函数来获取内核变量和内核函数的虚拟内存地址。
kallsyms_lookup_name() 函数的使用很简单，只需要传入要获取虚拟内存地址的变量名即可，如下代码所示：
#include
void func() {
...
unsigned long *sys_call_table;
// 获取 sys_call_table 的虚拟内存地址
sys_call_table = (unsigned long *)kallsyms_lookup_name("sys_call_table");
...
}
2. 设置 sys_call_table 数组为可写状态
是不是获取到 sys_call_table 数组的虚拟地址就可以修改其元素的值呢？没那么简单。
由于 sys_call_table 数组处于写保护区域，并不能直接修改其内容。但有两种方法可以将写保护暂时关闭，如下：
第一种方法：将 cr0 寄存器的第 16 位设置为零
cr0 控制寄存器的第 16 位是写保护位，若设置为零，则允许超级权限往内核中写入数据。这样我们可以在修改 sys_call_table 数组的值前，将 cr0 寄存器的第 16 位清零，使其可以修改 sys_call_table 数组的内容。当修改完后，又将那一位复原即可。
代码如下：
/*
* 设置cr0寄存器的第16位为0
*/
unsigned int clear_and_return_cr0(void)
{
unsigned int cr0 = 0;
unsigned int ret;
/* 将cr0寄存器的值移动到rax寄存器中，同时输出到cr0变量中 */
asm volatile ("movq %%cr0, %%rax" : "=a"(cr0));
ret = cr0;
cr0 &= 0xfffeffff; /* 将cr0变量值中的第16位清0，将修改后的值写入cr0寄存器 */
/* 读取cr0的值到rax寄存器，再将rax寄存器的值放入cr0中 */
asm volatile ("movq %%rax, %%cr0" :: "a"(cr0));
return ret;
}
/*
* 还原cr0寄存器的值为val
*/
void setback_cr0(unsigned int val)
{
asm volatile ("movq %%rax, %%cr0" :: "a"(val));
}
第二种方法：设置虚拟地址对应页表项的读写属性
由于 x86 CPU 的内存保护机制是通过虚拟内存页表来实现的（可以参考这篇文章：漫谈内存映射），所以我们只需要把 sys_call_table 数组的虚拟内存页表项中的保护标志位清空即可，代码如下：
/*
* 把虚拟内存地址设置为可写
*/
int make_rw(unsigned long address)
{
unsigned int level;
//查找虚拟地址所在的页表地址
pte_t *pte = lookup_address(address, &level);
if (pte->pte & ~_PAGE_RW) //设置页表读写属性
pte->pte |= _PAGE_RW;
return 0;
}
/*
* 把虚拟内存地址设置为只读
*/
int make_ro(unsigned long address)
{
unsigned int level;
pte_t *pte = lookup_address(address, &level);
pte->pte &= ~_PAGE_RW; //设置只读属性
return 0;
}
3. 修改 sys_call_table 数组的内容
万事俱备，只欠东风。前面我们把准备工作都做完了，现在只需要把 sys_call_table 数组中的系统调用入口替换成我们编写的函数入口即可。
我们可以在内核模块初始化函数修改 sys_call_table 数组的值，然后在内核模块退出函数改回成原来的值即可，完整代码如下：
/*
* 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;
/* 定义一个函数指针，用来保存原来的系统调用*/
static int (*orig_syscall_saved)(void);
/*
* 设置cr0寄存器的第16位为0
*/
unsigned int clear_and_return_cr0(void)
{
unsigned int cr0 = 0;
unsigned int ret;
/* 将cr0寄存器的值移动到rax寄存器中，同时输出到cr0变量中 */
asm volatile ("movq %%cr0, %%rax" : "=a"(cr0));
ret = cr0;
cr0 &= 0xfffeffff; /* 将cr0变量值中的第16位清0，将修改后的值写入cr0寄存器 */
/* 读取cr0的值到rax寄存器，再将rax寄存器的值放入cr0中 */
asm volatile ("movq %%rax, %%cr0" :: "a"(cr0));
return ret;
}
/*
* 还原cr0寄存器的值为val
*/
void setback_cr0(unsigned int val)
{
asm volatile ("movq %%rax, %%cr0" :: "a"(val));
}
/*
* 自己编写的系统调用函数
*/
static int sys_hackcall(void)
{
printk("Hack syscall is successful!!!\n");
return 0;
}
/*
* 模块的初始化函数，模块的入口函数，加载模块时调用
*/
static int __init init_hack_module(void)
{
int orig_cr0;
printk("Hack syscall is starting...\n");
/* 获取 sys_call_table 虚拟内存地址 */
sys_call_table = (unsigned long *)kallsyms_lookup_name("sys_call_table");
/* 保存原始系统调用 */
orig_syscall_saved = (int(*)(void))(sys_call_table[__NR_perf_event_open]);
orig_cr0 = clear_and_return_cr0(); /* 设置cr0寄存器的第16位为0 */
sys_call_table[__NR_perf_event_open] = (unsigned long)&sys_hackcall; /* 替换成我们编写的函数 */
setback_cr0(orig_cr0); /* 还原cr0寄存器的值 */
return 0;
}
/*
* 模块退出函数，卸载模块时调用
*/
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; /* 设置为原来的系统调用 */
setback_cr0(orig_cr0);
printk("Hack syscall is exited....\n");
}
module_init(init_hack_module);
module_exit(exit_hack_module);
MODULE_LICENSE("GPL");
在上面代码中，我们将 perf_event_open() 系统调用替换成了我们自己实现的函数。
注意：测试时最好使用冷门的系统调用，否则可能会导致系统崩溃。
4. 编写 Makefile 文件
为了编译方便，我们编写一个 Makefile 文件来进行编译，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 关闭 gcc 优化选项，避免插入模块出错。
5. 测试程序
现在，我们编写一个测试程序来测试一下系统调用拦截是否成功，代码如下：
#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. 运行结果
第一步：安装拦截内核模块
使用以下命令安装内核模块：
root# insmod syscall.ko
然后通过 dmesg 命令来观察系统日志，可以看到以下输出：
...
[ 133.564652] Hack syscall is starting...
这说明我们的内核模块安装成功。
第二步：运行测试程序
接着，我们运行刚才编写的测试程序，然后观察系统日志，输出如下：
...
[ 532.243714] Hack syscall is successful!!!
这说明拦截系统调用成功了。