Linux内核态缺页会发生什么 - 玩转Exception fixup表

近日，我在写内核模块的时候犯了一个低级错误：

• 直接access用户态的内存而没有使用copy_to_user/copy_from_user！

在内核看来，用户态提供的虚拟地址是不可信的，所以在一旦在内核态访问用户态内存发生缺页中断，处理起来是非常棘手的。

Linux内核的做法是提供了一张 异常处理表 ，使用专有的函数来访问用户态内存。类似 try-catch块一般。具体详情可参见copy_to_user/copy_from_user的实现以及内核文档Documentation/x86/exception-tables.txt的描述。

本来简单看下这个异常处理表能怎么玩。

首先，我们可以写一片代码，将内核的异常处理表dump下来：

// 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从start遍历到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; // 根据相对偏移字段求出绝对地址
    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");

我们看下输出：

# ___sys_recvmsg+0x253位置发生异常，跳转到ffffffff81649396处理异常。
[ 7655.267616] [ffffffff8150d7a3]___sys_recvmsg+0x253/0x2b0 [ffffffff81649396]bad_to_user
...
# create_elf_tables+0x3cf位置处如果发生异常，跳转到ffffffff81648a07地址执行异常处理。
[ 7655.267727] [ffffffff8163250e]create_elf_tables+0x3cf/0x509 [ffffffff81648a1b]bad_gs

一般而言，类似bad_to_user，bad_from_user之类的异常处理函数都是直接返回用户一个错误码，比如Bad address之类，并不是直接用户程序直接段错误，这一点和用户态访问非法地址直接发送SIGSEGV有所不同。比如：

#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv)
{
  int fd;
  int ret;
  char *buf = (char *)0x56; // 显然是一个非法地址。

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

执行之：

[root@localhost test]# ./a.out
open: Success
read: Bad address # 没有段错误，只是一个普通错误。

我们能不能将其行为修改成和用户态访问非法地址一致呢？简单，替换掉bad_to_user即可，代码如下：

// 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("经理！rush tighten beat electric discourse!\n");
  force_sig(SIGSEGV, current);
}

void kill_user_to(void)
{
  printk("经理！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");

编译，加载，重新执行我们的a.out：

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

发生了段错误，并且打印出了让经理赶紧打电话的句子。

其实，我的目的并不是这样的，我真正的意思是，Linux的异常处理链表，又是一个藏污纳垢的好地方，我们可以在上面的hook函数中藏一些代码，比如说inline hook之类的，然后呢？然后静悄悄地等待用户态进程的bug导致异常处理被执行。将代码注入的时间线拉长，从而更难让运维和经理注意到。

让代码注入的时间点和模块插入的时间点分开，让事情更加混乱。不过，注意好隐藏模块或者oneshot哦。

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