Linux内核如何私闯进程地址空间并修改进程内存

进程地址空间的隔离 是现代操作系统的一个显著特征。这也是区别于 “古代”操作系统 的显著特征。

进程地址空间隔离意味着进程P1无法以随意的方式访问进程P2的内存，除非这块内存被声明是共享的。

这非常容易理解，我举个例子。我们知道，在原始野人社会，是没有家庭的观念的，所有的资源都是部落内共享的，所有的野人都可以以任意的方式在任意时间和任何其他野人交互。类似Dos这样的操作系统就是这样的，内存地址空间并没有隔离。进程可以随意访问其它进程的内存。后来有了家庭的观念，家庭的资源被隔离，人们便不能私闯民宅了，人们无法以随意的方式进入别人的家用别人的东西，除非这是主人允许的。操作系统进入现代模式后，进程也有了类似家庭的概念。但家庭的概念是虚拟的，人们只是遵守约定而不去破坏别人的家庭。房子作为一个物理基础设施，保护着家庭。在操作系统中，家庭类似于虚拟地址空间，而房子就是页表。邻居不能闯入你的房子，但特权管理机构只要理由充分，就可以进入普通人家的房子，touch这家人的东西。对于操作系统而言，这就是内核可以做的事，内核可以访问任意进程的地址空间。当然了，内核并不会无故私闯民宅，就像警察不会随意闯入别人家里一样。但是，你可以让内核故意这么做，做点无赖的事情。我们来试一下，先看一个程序：

// test.c
// gcc test.c -o test
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/mman.h>

int main()
{
char* addr = mmap(NULL, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
strcpy(addr, "Zhejiang wenzhou pixie shi");

printf("addr: %lu pid:%d\n", addr, getpid());

printf("before:%s \n", addr);

getchar();

printf("after:%s\n", addr);

return0;
}

这个程序的输出非常简单，before和after都会输出 “Zhejiang wenzhou pixie shi”，但是我们想把这句话给改了，怎么办呢？显然，test进程如果自己不改它，那就没辙...但是可以让内核强制改啊，让内核私闯民宅就是了。接下来我写一个内核模块：

// test.c
// make -C /lib/modules/`uname -r`/build SUBDIRS=`pwd` modules
#include<linux/mm.h>
#include<linux/sched.h>
#include<linux/module.h>

staticint pid = 1;
module_param(pid, int, 0644);

staticunsignedlong addr = 0;
module_param(addr, long, 0644);

// 根据一个进程的虚拟地址找到它的页表，相当于找到这家人的房子地址，然后闯入！
staticpte_t* get_pte(struct task_struct *task, unsignedlong address)
{
pgd_t* pgd;
pud_t* pud;
pmd_t* pmd;
pte_t* pte;
struct mm_struct *mm = task->mm;

pgd = pgd_offset(mm, address);
if(pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd))
return NULL;

pud = pud_offset(pgd, address);
if(pud_none(*pud) || pud_bad(*pud))
return NULL;

pmd = pmd_offset(pud, address);
if(pmd_none(*pmd) || pmd_bad(*pmd))
return NULL;

pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
if(pte_none(*pte))
return NULL;

return pte;
}

staticint test_init(void)
{
struct task_struct *task;
pte_t* pte;
struct page* page;

// 找到这家人
task = pid_task(find_pid_ns(pid, &init_pid_ns), PIDTYPE_PID);
// 找到这家人住在哪里
if(!(pte = get_pte(task, addr)))
return-1;

page = pte_page(*pte);
// 强行闯入
addr = page_address(page);
// sdajgdoiewhgikwnsviwgvwgvw
strcpy(addr, (char*)"rain flooding water will not get fat!");
// 事了拂衣去，深藏功与名
return0;
}

staticvoid test_exit(void)
{
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

来来来，我们来试一下：

[root@10 page_replace]# ./test
addr: 140338535763968 pid:9912
before:Zhejiang wenzhou pixie shi

此时，我们加载内核模块test.ko

[root@10 test]# insmod test.ko pid=9912 addr=140338535763968
[root@10 test]#

在test进程拍入回车：

[root@10 page_replace]# ./test
addr: 140338535763968 pid:9912
before:Zhejiang wenzhou pixie shi

after:rain flooding water will not get fat!
[root@10 page_replace]#

---

仔细看上面那个内核模块的 get_pte 函数，这个函数要想写对，你必须对你想蹂躏的进程所在的机器的MMU有一定的了解，比如是32位系统还是64位系统，是3级页表还是4级页表或者5级？这...

Linux的可玩性在于你可以自己动手，又可以让人代劳。比如，获取一个进程的虚拟地址的页表项指示的物理页面，就可以直接得到。

有这样的API吗？有啊，别忘了一切皆文件，恰好在proc文件系统中，就有这么一个文件：

• /proc/$pid/pagemap

读取这个文件，得到的就是进程虚拟地址的页表项，下图截自内核Doc：

Documentation/vm/pagemap.txt

---

虚拟地址空间是每进程的，而物理地址空间则是所有进程共享的。换句话说，物理地址是全局的。

现在，根据Documentation/vm/pagemap.txt的解释，写一个程序，获取任意进程任意虚拟地址的全局物理地址：

// getphys.c
// gcc getphys -o getphys
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(int argc, char**argv)
{
int fd;
int pid;
unsignedlong pte;
unsignedlong addr;
unsignedlong phy_addr;
char procbuf[64] = {0};

pid = atoi(argv[1]);
addr = atol(argv[2]);

sprintf(procbuf, "/proc/%d/pagemap", pid);

fd = open(procbuf, O_RDONLY);
size_t offset = (addr/4096) * sizeof(unsignedlong);
lseek(fd, offset, SEEK_SET);

read(fd, &pte, sizeof(unsignedlong));

phy_addr = (pte & ((((unsignedlong)1) << 55) - 1))*4096+ addr%4096;
printf("phy addr:%lu\n", phy_addr);

return0;
}

随后，我们修改内核模块：

#include<linux/module.h>

staticunsignedlong addr = 0;
module_param(addr, long, 0644);

staticint test_init(void)
{
strcpy(phys_to_virt(addr), (char*)"rain flooding water will not get fat!");
return0;
}

staticvoid test_exit(void)
{
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

先运行test，然后根据test的输出作为getphys的输入，再根据getphys的输出作为内核模块test.ko的输入，就成了。还记得吗？这不就是管道连接多个程序的风格吗？

输入一个物理地址，然后把它改了，仅此而已。通过虚拟地址获取页表的操作已经由用户态的pagemap文件的读取并解析代劳了。