Linux内核(x86)入口代码模糊测试指南Part 2（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。

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。

   .global main
main:
    ljmpl *target
 
1:
    .code32
    movl $1, %eax # __NR_exit == 1 from asm/unistd_32.h
    movl $2, %ebx # status == 0
    sysenter
    ret
 
    .data
target:
    .long 1b # address (32 bits)
    .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：

[...]
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
+++ 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。

struct ljmp_target {
    uint32_t rip;
    uint16_t cs;
} __attribute__((packed));
 
struct data {
    struct ljmp_target ljmp;
};
 
static struct data *data;
 
int main(...)
{
    ...
 
    void *addr = mmap(NULL, PAGE_SIZE,
        PROT_READ | PROT_WRITE,
        MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_32BIT,
        -1, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
        error(EXIT_FAILURE, errno, "mmap()");
 
    data = (struct data *) addr;
 
    ...
}
 
void emit_code()
{
    ...
 
    // ljmp *target
    *out++ = 0xff;
    *out++ = 0x2c;
    *out++ = 0x25;
    for (unsigned int i = 0; i < 4; ++i)
        *out++ = ((uint64_t) &data->ljmp) >> (8 * i);
 
    // cs:rip (jump target; in our case, the next instruction)
    data->ljmp.cs = 0x23;
    data->ljmp.rip = (uint64_t) out;
 
    ...
}

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。

#include
#include
 
#include
#include
 
int main(...)
{
    pid_t child = fork();
    if (child == -1)
        error(EXIT_FAILURE, errno, "fork()");
 
    if (child == 0) {
        // make us a tracee of the parent
        if (ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0) == -1)
            error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_TRACEME)");
 
        // give the parent control
        raise(SIGTRAP);
 
        ...
 
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
 
    // parent; wait for child to stop
    while (1) {
        int status;
        if (waitpid(child, &status, 0) == -1) {
            if (errno == EINTR)
                continue;
 
            error(EXIT_FAILURE, errno, "waitpid()");
        }
 
        if (WIFEXITED(status))
            exit(WEXITSTATUS(status));
        if (WIFSIGNALED(status))
            exit(EXIT_FAILURE);
 
        if (WIFSTOPPED(status) && WSTOPSIG(status) == SIGTRAP)
            break;
 
        continue;
    }
 
    // set debug registers and stop tracing
    if (ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[0]), ...) == -1)
        error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_POKEUSER)");
    if (ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[7]), ...) == -1)
        error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_POKEUSER)");
    if (ptrace(PTRACE_DETACH, child, 0, 0) == -1)
        error(EXIT_FAILURE, errno, "ptrace(PTRACE_DETACH)");
 
    ...
}

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：

// stddef.h offsetof() doesn't always allow non-const array indices,
// so precompute them here.
const unsigned int debugreg_offsets[] = {
    offsetof(struct user, u_debugreg[0]),
    offsetof(struct user, u_debugreg[1]),
    offsetof(struct user, u_debugreg[2]),
    offsetof(struct user, u_debugreg[3]),
};
 
for (unsigned int i = 0; i < 4; ++i) {
    // try random addresses until we succeed
    while (true) {
        unsigned long addr = get_random_address();
        if (ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, debugreg_offsets[i], addr) != -1)
            break;
    }
 
    // Condition:
    // 0 - execution
    // 1 - write
    // 2 - (unused)
    // 3 - read or write
    unsigned int condition = std::uniform_int_distribution
    if (condition == 2)
        condition = 3;
 
    // Size
    // 0 - 1 byte
    // 1 - 2 bytes
    // 2 - 8 bytes
    // 3 - 4 bytes
    unsigned int size = std::uniform_int_distribution
 
    unsigned long dr7 = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[7]), 0);
    dr7 &= ~((1 | (3 << 16) | (3 << 18)) << i);
    dr7 |= (1 | (condition << 16) | (size << 18)) << i;
    ptrace(PTRACE_POKEUSER, child, offsetof(struct user, u_debugreg[7]), dr7);
}

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：

int $0x80
sysenter
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。）

enum entry_type {
    // system calls + software interrupts
    ENTRY_SYSCALL,
    ENTRY_SYSENTER,
    ENTRY_INT,
    ENTRY_INT_80,
    ENTRY_INT3,
 
    // exceptions
    ENTRY_DE, // Divide error
    ENTRY_OF, // Overflow
    ENTRY_BR, // Bound range exceeded
    ENTRY_UD, // Undefined opcode
    ENTRY_SS, // Stack segment fault
    ENTRY_GP, // General protection fault
    ENTRY_PF, // Page fault
    ENTRY_MF, // x87 floating-point exception
    ENTRY_AC, // Alignment check
 
    NR_ENTRY_TYPES,
};
 
enum entry_type type = (enum entry_type) std::uniform_int_distribution
 
// Some entry types require a setup/preamble; do that here
switch (type) {
case ENTRY_DE:
    // xor %eax, %eax
    *out++ = 0x31;
    *out++ = 0xc0;
    break;
case ENTRY_MF:
    // pxor %xmm0, %xmm0
    *out++ = 0x66;
    *out++ = 0x0f;
    *out++ = 0xef;
    *out++ = 0xc0;
    break;
case ENTRY_BR:
    // xor %eax, %eax
    *out++ = 0x31;
    *out++ = 0xc0;
    break;
case ENTRY_SS:
    {
        uint16_t sel = get_random_segment_selector();
 
        // movw $imm, %bx
        *out++ = 0x66;
        *out++ = 0xbb;
        *out++ = sel;
        *out++ = sel >> 8;
    }
    break;
default:
    // do nothing
    break;
}
 
...
 
switch (type) {
    // system calls + software interrupts
 
case ENTRY_SYSCALL:
    // syscall
    *out++ = 0x0f;
    *out++ = 0x05;
    break;
case ENTRY_SYSENTER:
    // sysenter
    *out++ = 0x0f;
    *out++ = 0x34;
    break;
case ENTRY_INT:
    // int $x
    *out++ = 0xcd;
    *out++ = std::uniform_int_distribution
    break;
case ENTRY_INT_80:
    // int $0x80
    *out++ = 0xcd;
    *out++ = 0x80;
    break;
case ENTRY_INT3:
    // int3
    *out++ = 0xcc;
    break;
 
    // exceptions
 
case ENTRY_DE:
    // div %eax
    *out++ = 0xf7;
    *out++ = 0xf0;
    break;
case ENTRY_OF:
    // into (32-bit only!)
    *out++ = 0xce;
    break;
case ENTRY_BR:
    // bound %eax, data
    *out++ = 0x62;
    *out++ = 0x05;
    *out++ = 0x09;
    for (unsigned int i = 0; i < 4; ++i)
        *out++ = ((uint64_t) &data->bound) >> (8 * i);
    break;
case ENTRY_UD:
    // ud2
    *out++ = 0x0f;
    *out++ = 0x0b;
    break;
case ENTRY_SS:
    // Load %ss again, with a random segment selector (this is not
    // guaranteed to raise #SS, but most likely it will). The reason
    // we don't just rely on the load above to do it is that it could
    // be interesting to trigger #SS with a "weird" %ss too.
 
    // movw %bx, %ss
    *out++ = 0x8e;
    *out++ = 0xd3;
    break;
case ENTRY_GP:
    // wrmsr
    *out++ = 0x0f;
    *out++ = 0x30;
    break;
case ENTRY_PF:
    // testl %eax, (xxxxxxxx)
    *out++ = 0x85;
    *out++ = 0x04;
    *out++ = 0x25;
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
        *out++ = ((uint64_t) page_not_present) >> (8 * i);
    break;
case ENTRY_MF:
    // divss %xmm0, %xmm0
    *out++ = 0xf3;
    *out++ = 0x0f;
    *out++ = 0x5e;
    *out++ = 0xc0;
    break;
case ENTRY_AC:
    // testl %eax, (page_not_writable + 1)
    *out++ = 0x85;
    *out++ = 0x04;
    *out++ = 0x25;
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
        *out++ = ((uint64_t) page_not_writable + 1) >> (8 * i);
    break;
}

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