Linux内核(x86)入口代码模糊测试指南Part2(下篇)

在上一篇中,我们为读者更进一步介绍了各种标志寄存器、堆栈指针以及部分段寄存器,在本文中,我们将为读者介绍调试寄存器以及进入内核的不同方法。

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堆栈段(%ss)

寄存器%ss应该是我们在进入内核的指令之前设置的最后一个寄存器,这样我们就可以确保看到任何延迟陷阱或异常的影响。我们可以使用与上面%ds相同的代码;我们不使用popw %ss的原因是,我们可能已经将%rsp设置为指向一个“奇怪”的位置,所以此时堆栈可能无法使用。

32位兼容模式(%cs)

有趣的是:你实际上可以在执行过程中把你的64位进程改变成32位进程,甚至不需要告诉内核。CPU包含了一种机制,在ring 3模式下是允许的:远跳转指令。

特别是,我们要使用的指令是“绝对间接远跳转指令,地址由m16:32给出”。由于要弄清楚具体的语法和字节可能有点麻烦,所以下面将借助于一个完整的汇编例子进行解释。

 
 
 
  1.   .global main
  2. main:
  3.     ljmpl *target
  4.  
  5. 1:
  6.     .code32
  7.     movl $1, %eax # __NR_exit == 1 from asm/unistd_32.h
  8.     movl $2, %ebx # status == 0
  9.     sysenter
  10.     ret
  11.  
  12.     .data
  13. target:
  14.     .long 1b # address (32 bits)
  15.     .word 0x23 # segment selector (16 bits)

这里,ljmpl指令使用target标签处的内存,该标签是一个32位指令指针,后跟一个16位段选择器(这里指向用户空间的32位代码段0x23)。这里的目标地址1b不是十六进制值,它实际上是对标签1的引用;b代表“向后”。这个标签处的代码是32位的,这就是为什么我们使用sysenter,而不是以前使用的syscall。调用约定也不同,实际上,我们需要使用32位ABI中的系统调用号(SYS_exit在64位系统上是60,但这里是1)。另一个有趣的事情是,如果你尝试在strace下运行这段代码,将会看到如下所示的结果:

 
 
 
  1. [...]
  2. write(1, "\366\242[\204\374\177\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\376\242[\204\374\177\0\0\t\243[\204\374\177\0\0"..., 140722529079224
  3. +++ exited with 0 +++

strace显然认为我们仍然是一个64位进程,并认为我们调用了write(),而实际上我们是在调用exit()(最后一行就证明了这一点,它清楚地告诉我们进程退出了)。

由于ljmp的内存操作数和目标地址都是32位的,我们需要确保它们都位于高32位都为0的地址中,最好的方法是使用mmap()和MAP_32BIT标志来分配内存。

 
 
 
  1. struct ljmp_target {
  2.     uint32_t rip;
  3.     uint16_t cs;
  4. } __attribute__((packed));
  5.  
  6. struct data {
  7.     struct ljmp_target ljmp;
  8. };
  9.  
  10. static struct data *data;
  11.  
  12. int main(...)
  13. {
  14.     ...
  15.  
  16.     void *addr = mmap(NULL, PAGE_SIZE,
  17.         PROT_READ | PROT_WRITE,
  18.         MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_32BIT,
  19.         -1, 0);
  20.     if (addr == MAP_FAILED)
  21.         error(EXIT_FAILURE, errno, "mmap()");
  22.  
  23.     data = (struct data *) addr;
  24.  
  25.     ...
  26. }
  27.  
  28. void emit_code()
  29. {
  30.     ...
  31.  
  32.     // ljmp *target
  33.     *out++ = 0xff;
  34.     *out++ = 0x2c;
  35.     *out++ = 0x25;
  36.     for (unsigned int i = 0; i < 4; ++i)
  37.         *out++ = ((uint64_t) &data->ljmp) >> (8 * i);
  38.  
  39.     // cs:rip (jump target; in our case, the next instruction)
  40.     data->ljmp.cs = 0x23;
  41.     data->ljmp.rip = (uint64_t) out;
  42.  
  43.     ...
  44. }

这里有几件事需要注意:

这将改变CPU模式,这意味着后续指令必须在32位中有效(否则,您可能会得到一般保护故障或无效操作码异常)。

上面我们用来加载段寄存器的指令序列(例如movw ..., %ax; movw %ax, %ss)在32位和64位上有完全相同的编码,所以我们可以在切换到32位代码段后毫不费力地执行它——这对于确保我们在进入内核之前仍然可以加载%ss特别有用。

我们可以选择是否始终更改为段4(段选择器0x23),或者尝试更改为随机段选择器(例如使用get_random_segment_selector())。如果我们选择一个随机的,我们甚至可能不知道我们是仍然在32位还是64位模式下执行。

我们可能希望在从内核返回后尝试跳回我们的正常代码段(段6,段选择器0x33),如果我们没有退出、崩溃或被杀死的话。对于不同的段选择器,该过程完全相同。

调试寄存器(%dr0等)

x86上的调试寄存器用于设置代码断点和数据观察点。寄存器%dr0到%dr3用于设置实际的断点/观察点地址,寄存器%dr7用于控制这四个地址的使用方式(是断点还是观察点等)。

设置调试寄存器比我们目前看到的要棘手一些,因为你不能直接在用户空间加载它们。就像修改LDT一样,内核要确保我们不会在内核地址上设置断点或观察点,但更重要的是,CPU本身不允许ring 3直接修改这些寄存器。我所知道的设置调试寄存器的唯一方法就是使用ptrace()。

ptrace()是一个非常难用的API。有很多隐含的状态需要跟踪器手动跟踪,还有很多围绕信号处理的边缘情况。幸运的是,在这种情况下,我们只需要附加到子进程,设置调试寄存器,然后脱离即可;即使在我们停止跟踪之后,调试寄存器的变化也会持续存在。

 
 
 
  1. #include
  2. #include
  3.  
  4. #include
  5. #include
  6.  
  7. int main(...)
  8. {
  9.     pid_t child = fork();
  10.     if (child == -1)
  11.         error(EXIT_FAILURE, errno, "fork()");
  12.  
  13.     if (child == 0) {
  14.         // make us a tracee of the parent
  15.         if (ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0) == -1)
  16.             error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_TRACEME)");
  17.  
  18.         // give the parent control
  19.         raise(SIGTRAP);
  20.  
  21.         ...
  22.  
  23.         exit(EXIT_SUCCESS);
  24.     }
  25.  
  26.     // parent; wait for child to stop
  27.     while (1) {
  28.         int status;
  29.         if (waitpid(child, &status, 0) == -1) {
  30.             if (errno == EINTR)
  31.                 continue;
  32.  
  33.             error(EXIT_FAILURE, errno, "waitpid()");
  34.         }
  35.  
  36.         if (WIFEXITED(status))
  37.             exit(WEXITSTATUS(status));
  38.         if (WIFSIGNALED(status))
  39.             exit(EXIT_FAILURE);
  40.  
  41.         if (WIFSTOPPED(status) && WSTOPSIG(status) == SIGTRAP)
  42.             break;
  43.  
  44.         continue;
  45.     }
  46.  
  47.     // set debug registers and stop tracing
  48.     if (ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[0]), ...) == -1)
  49.         error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_POKEUSER)");
  50.     if (ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[7]), ...) == -1)
  51.         error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_POKEUSER)");
  52.     if (ptrace(PTRACE_DETACH, child, 0, 0) == -1)
  53.         error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_DETACH)");
  54.  
  55.     ...
  56. }

即使在这个小例子中,等待子程序停止也是有点麻烦的。waitpid()总是有可能在子程序到达raise(SIGTRAP)之前返回,例如,如果它被某个外部进程杀死了。我们对这些情况的处理方式也是简单的退出。

由于设置调试寄存器需要跟踪,处理信号被进行多次上下文切换(这些都很慢),我建议对每个子进程只做一次,然后让子进程连续多次尝试进入内核。

设置任何一个调试寄存器都可能失败,所以在实际的fuzzer中,我们可能希望忽略所有错误,每次将%dr7设置为一个断点,例如:

 
 
 
  1. // stddef.h offsetof() doesn't always allow non-const array indices,
  2. // so precompute them here.
  3. const unsigned int debugreg_offsets[] = {
  4.     offsetof(struct user, u_debugreg[0]),
  5.     offsetof(struct user, u_debugreg[1]),
  6.     offsetof(struct user, u_debugreg[2]),
  7.     offsetof(struct user, u_debugreg[3]),
  8. };
  9.  
  10. for (unsigned int i = 0; i < 4; ++i) {
  11.     // try random addresses until we succeed
  12.     while (true) {
  13.         unsigned long addr = get_random_address();
  14.         if (ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, debugreg_offsets[i], addr) != -1)
  15.             break;
  16.     }
  17.  
  18.     // Condition:
  19.     // 0 - execution
  20.     // 1 - write
  21.     // 2 - (unused)
  22.     // 3 - read or write
  23.     unsigned int condition = std::uniform_int_distribution
  24.     if (condition == 2)
  25.         condition = 3;
  26.  
  27.     // Size
  28.     // 0 - 1 byte
  29.     // 1 - 2 bytes
  30.     // 2 - 8 bytes
  31.     // 3 - 4 bytes
  32.     unsigned int size = std::uniform_int_distribution
  33.  
  34.     unsigned long dr7 = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[7]), 0);
  35.     dr7 &= ~((1 | (3 << 16) | (3 << 18)) << i);
  36.     dr7 |= (1 | (condition << 16) | (size << 18)) << i;
  37.     ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[7]), dr7);
  38. }

进入内核

在本系列的第一篇文章中,我们已经看到了如何进行系统调用的代码;在这里,我们使用相同的基本方法,但也考虑到所有其他进入内核的方式。正如我前面提到的,syscall指令不是进入64位内核的唯一方法,甚至不是进行系统调用的唯一方法。对于系统调用,我们有以下选项:

 
 
 
  1. int $0x80
  2. sysenter
  3. syscall

实际上,查看硬件生成的异常表也很有用。其中许多异常的处理方式与系统调用和常规中断略有不同;例如,当您试图加载一个带有无效段选择器的段寄存器时,CPU会将一个错误代码压入(内核)堆栈上。

我们可以触发许多异常,但不是所有的异常。例如,通过简单地执行除零来生成除零异常是非常简单的,但是我们不能轻松地按需生成NMI。(也就是说,我们可以做一些事情来使NMI更有可能发生,尽管是以一种不可控制的方式:如果我们在VM中测试内核,我们可以从主机注入NMI,或者我们可以启用内核NMI watchdog功能。)

 
 
 
  1. enum entry_type {
  2.     // system calls + software interrupts
  3.     ENTRY_SYSCALL,
  4.     ENTRY_SYSENTER,
  5.     ENTRY_INT,
  6.     ENTRY_INT_80,
  7.     ENTRY_INT3,
  8.  
  9.     // exceptions
  10.     ENTRY_DE, // Divide error
  11.     ENTRY_OF, // Overflow
  12.     ENTRY_BR, // Bound range exceeded
  13.     ENTRY_UD, // Undefined opcode
  14.     ENTRY_SS, // Stack segment fault
  15.     ENTRY_GP, // General protection fault
  16.     ENTRY_PF, // Page fault
  17.     ENTRY_MF, // x87 floating-point exception
  18.     ENTRY_AC, // Alignment check
  19.  
  20.     NR_ENTRY_TYPES,
  21. };
  22.  
  23. enum entry_type type = (enum entry_type) std::uniform_int_distribution
  24.  
  25. // Some entry types require a setup/preamble; do that here
  26. switch (type) {
  27. case ENTRY_DE:
  28.     // xor %eax, %eax
  29.     *out++ = 0x31;
  30.     *out++ = 0xc0;
  31.     break;
  32. case ENTRY_MF:
  33.     // pxor %xmm0, %xmm0
  34.     *out++ = 0x66;
  35.     *out++ = 0x0f;
  36.     *out++ = 0xef;
  37.     *out++ = 0xc0;
  38.     break;
  39. case ENTRY_BR:
  40.     // xor %eax, %eax
  41.     *out++ = 0x31;
  42.     *out++ = 0xc0;
  43.     break;
  44. case ENTRY_SS:
  45.     {
  46.         uint16_t sel = get_random_segment_selector();
  47.  
  48.         // movw $imm, %bx
  49.         *out++ = 0x66;
  50.         *out++ = 0xbb;
  51.         *out++ = sel;
  52.         *out++ = sel >> 8;
  53.     }
  54.     break;
  55. default:
  56.     // do nothing
  57.     break;
  58. }
  59.  
  60. ...
  61.  
  62. switch (type) {
  63.     // system calls + software interrupts
  64.  
  65. case ENTRY_SYSCALL:
  66.     // syscall
  67.     *out++ = 0x0f;
  68.     *out++ = 0x05;
  69.     break;
  70. case ENTRY_SYSENTER:
  71.     // sysenter
  72.     *out++ = 0x0f;
  73.     *out++ = 0x34;
  74.     break;
  75. case ENTRY_INT:
  76.     // int $x
  77.     *out++ = 0xcd;
  78.     *out++ = std::uniform_int_distribution
  79.     break;
  80. case ENTRY_INT_80:
  81.     // int $0x80
  82.     *out++ = 0xcd;
  83.     *out++ = 0x80;
  84.     break;
  85. case ENTRY_INT3:
  86.     // int3
  87.     *out++ = 0xcc;
  88.     break;
  89.  
  90.     // exceptions
  91.  
  92. case ENTRY_DE:
  93.     // div %eax
  94.     *out++ = 0xf7;
  95.     *out++ = 0xf0;
  96.     break;
  97. case ENTRY_OF:
  98.     // into (32-bit only!)
  99.     *out++ = 0xce;
  100.     break;
  101. case ENTRY_BR:
  102.     // bound %eax, data
  103.     *out++ = 0x62;
  104.     *out++ = 0x05;
  105.     *out++ = 0x09;
  106.     for (unsigned int i = 0; i < 4; ++i)
  107.         *out++ = ((uint64_t) &data->bound) >> (8 * i);
  108.     break;
  109. case ENTRY_UD:
  110.     // ud2
  111.     *out++ = 0x0f;
  112.     *out++ = 0x0b;
  113.     break;
  114. case ENTRY_SS:
  115.     // Load %ss again, with a random segment selector (this is not
  116.     // guaranteed to raise #SS, but most likely it will). The reason
  117.     // we don't just rely on the load above to do it is that it could
  118.     // be interesting to trigger #SS with a "weird" %ss too.
  119.  
  120.     // movw %bx, %ss
  121.     *out++ = 0x8e;
  122.     *out++ = 0xd3;
  123.     break;
  124. case ENTRY_GP:
  125.     // wrmsr
  126.     *out++ = 0x0f;
  127.     *out++ = 0x30;
  128.     break;
  129. case ENTRY_PF:
  130.     // testl %eax, (xxxxxxxx)
  131.     *out++ = 0x85;
  132.     *out++ = 0x04;
  133.     *out++ = 0x25;
  134.     for (int i = 0; i < 4; ++i)
  135.         *out++ = ((uint64_t) page_not_present) >> (8 * i);
  136.     break;
  137. case ENTRY_MF:
  138.     // divss %xmm0, %xmm0
  139.     *out++ = 0xf3;
  140.     *out++ = 0x0f;
  141.     *out++ = 0x5e;
  142.     *out++ = 0xc0;
  143.     break;
  144. case ENTRY_AC:
  145.     // testl %eax, (page_not_writable + 1)
  146.     *out++ = 0x85;
  147.     *out++ = 0x04;
  148.     *out++ = 0x25;
  149.     for (int i = 0; i < 4; ++i)
  150.         *out++ = ((uint64_t) page_not_writable + 1) >> (8 * i);
  151.     break;
  152. }

小结

我们现在几乎拥有了所有的东西,我们需要真正开始进行模糊测试了!不过还有几件事要做……

如果你运行目前的代码,很快就会遇到一些问题。首先,我们使用的许多指令可能会导致崩溃(而且是故意的),这使得fuzzer速度很慢。通过为一些常见的终止信号(SIGBUS、SIGSEGV等)安装信号处理程序,我们可以跳过故障指令,(希望)在同一个子进程内继续执行。

其次,我们进行的一些系统调用可能会产生意想不到的副作用。特别是,我们并不希望在I/O上进行阻塞,因为这将使fuzzer停止运行。一种解决方法是安装一个间隔定时器报警,以检测子进程何时挂起。另一种方法可以是过滤掉某些已知会阻塞的系统调用(如read()、select()、sleep()等)。其他“不幸”的系统调用可能是fork()、exit()和kill()。fuzzer删除文件或以其他方式扰乱系统的可能性较小,但我们仍需要使用某种形式的沙盒(如setuid(65534))。

如果你只是想看看最终的结果,这里有一个代码的链接:

https://github.com/oracle/linux-blog-sample-code/tree/fuzzing-the-linux-kernel-x86-entry-code

本文翻译自:https://blogs.oracle.com/linux/fuzzing-the-linux-kernel-x86-entry-code%2c-part-2-of-3如若转载,请注明原文地址。

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