相信很多人对"Hook"都不会陌生,其中文翻译为"钩子”.在编程中, 钩子表示一个可以允许编程者插入自定义程序的地方,通常是打包好的程序中提供的接口. 比如,我们想要提供一段代码来分析程序中某段逻辑路径被执行的频率,或者想要在其中 插入更多功能时就会用到钩子. 钩子都是以固定的目的提供给用户的,并且一般都有文档说明. 通过Hook,我们可以暂停系统调用,或者通过改变系统调用的参数来改变正常的输出结果, 甚至可以中止一个当前运行中的进程并且将控制权转移到自己手上.
基本概念
操作系统通过一系列称为系统调用的方法来提供各种服务.他们提供了标准的API来访问下面的 硬件设备和底层服务,比如文件系统. 以32位系统为例,当进程运行系统调用前,会先把系统调用号放到寄存器 �x中,并且将该系统调用的参数依次放入寄存器�x, �x, �x 以及 %esi 和 �i中. 以write系统调用为例:
write(2, "Hello", 5);在32位系统中会转换成:
代码语言：javascript复制movl $1, �x
movl $2, �x
movl $hello,�x
movl $5, �x
int $0x80其中1为write的系统调用号, 所有的系统调用号码定义在unistd.h文件中. $hello表示字符串"Hello"的地址; 32位Linux系统通过0x80中断来进行系统调用.
如果是64位系统则有所不同, 用户层应用层用整数寄存器 %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8 以及 %r9来传参, 而内核接口用%rdi, %rsi, %rdx, %r10, %r8 以及 %r10来传参. 并且用syscall指令而不是80中断 来进行系统调用. 相同之处是都用寄存器%rax来保存调用号和返回值.
更多关于32位和64位汇编指令的区别可以参考stack overflow的总结, 因为我当前环境是64位Linux,所以下文的操作都以64位系统为例.
进程追踪
上面说到钩子一般由程序提供,那么操作系统内核作为一个程序,是否有提供相应的钩子呢? 答案是肯定的, ptrace(Process Trace)系统调用就提供了这样的功能. ptrace提供了许多 方法来观察和控制其他进程的执行, 并且可以检查和修改其内核镜像和寄存器. 通常用来 作为调试器(如gdb)或用来跟踪各种其他系统调用.
那么,ptrace在程序运行的哪个阶段起作用呢? 答案是在执行系统调用之前. 内核会先检查是否 进程正在被追踪, 如果是的话, 内核会停止进程并将控制权转移给追踪进程, 因此其可以查看和 修改被追踪进程的寄存器. 举例说明:
代码语言：javascript复制#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/reg.h> /* For constants ORIG_RAX etc */
int main()
{ pid_t child;
long orig_rax;
child = fork();
if(child == 0) {
ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);
execl("/bin/ls", "ls", NULL);
}
else { wait(NULL);
orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,
child, 8 * ORIG_RAX,
NULL);
printf("The child made a "
"system call %ldn", orig_rax);
ptrace(PTRACE_CONT, child, NULL, NULL);
}
return 0;
}程序编译运行后输出:
代码语言：javascript复制The child made a system call 59以及ls的结果. 系统调用号59是__NR_execve, 由子进程调用的execl产生.
在上面的例子中我们可以看见, 父进程fork了一个子进程,并且在子进程中进行系统调用. 在执行调用前,子进程运行了ptrace,并设置第一个参数为PTRACE_TRACEME, 这告诉内核当前进程正在被追踪. 因此当子进程运行到execl时, 会把控制权转回父进程. 父进程用wait 函数(系统调用)来等待内核通知. 然后就可以查看系统调用的参数以及做其他事情.
当系统调用出现的时候, 内核会保存原始的rax寄存器值(其中包含系统调用号), 我们可以从子进程的USER段读取这个值, 这里是使用ptrace并且设置第一个参数为PTRACE_PEEKUSER. 当我们检查完了系统调用之后, 可以调用ptrace并设置参数PTRACE_CONT让子进程继续运行. 值得一提的是, 这里的child为子进程的进程ID, 由fork函数返回.
寄存器读写
ptrace函数通过四个参数来调用, 其原型为:
代码语言：javascript复制long ptrace(enum __ptrace_request request,
pid_t pid,
void *addr,
void *data);其中第一个参数决定了ptrace的行为以及其他参数的含义, request的值可以是下列值中的一个:
代码语言：javascript复制PTRACE_TRACEME, PTRACE_PEEKTEXT, PTRACE_PEEKDATA, PTRACE_PEEKUSER, PTRACE_POKETEXT,
PTRACE_POKEDATA, PTRACE_POKEUSER, PTRACE_GETREGS, PTRACE_GETFPREGS, PTRACE_SETREGS,
PTRACE_SETFPREGS, PTRACE_CONT, PTRACE_SYSCALL, PTRACE_SINGLESTEP, PTRACE_DETACH.在系统调用追踪中, 常见的流程如下图所示:
ptrace
读取系统调用参数
系统调用的参数按顺序存放在rbx,rcx…之中,因此以write系统调用为例看如何读取寄存器的值:
代码语言：javascript复制#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/reg.h> /* For constants ORIG_EAX etc */
#include <sys/user.h>
#include <sys/syscall.h> /* SYS_write */
int main() {
pid_t child;
long orig_rax;
int status;
int iscalling = 0;
struct user_regs_struct regs;
child = fork();
if(child == 0) {
ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);
execl("/bin/ls", "ls", "-l", "-h", NULL);
} else {
while(1) {
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,
child, 8 * ORIG_RAX,
NULL);
if(orig_rax == SYS_write) {
ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, ®s);
if(!iscalling) {
iscalling = 1;
printf("SYS_write call with %lld, %lld, %lldn",
regs.rdi, regs.rsi, regs.rdx);
}
else {
printf("SYS_write call return %lldn", regs.rax);
iscalling = 0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL, child, NULL, NULL);
}
}
return 0;
}编译运新有如下输出:
代码语言：javascript复制SYS_write call with 1, 140693012086784, 10
total 32K
SYS_write call return 10
SYS_write call with 1, 140693012086784, 45
-rwxr-xr-x 1 lxy lxy 13K Feb 21 12:19 a.out
SYS_write call return 45
SYS_write call with 1, 140693012086784, 46
-rw-r--r-- 1 lxy lxy 1.5K Feb 20 20:52 test.c
SYS_write call return 46
SYS_write call with 1, 140693012086784, 53
-rw-r--r-- 1 lxy lxy 5.0K Feb 21 12:19 trace_write.c
SYS_write call return 53可以看到我们的ls -l -h命令中, 发生了四次write系统调用.这里读取寄存器的时候可以用之前的PTRACE_PEEKUSER参数,也可以直接用PTRACE_PEEKUSER参数将寄存器的值读取到结构体user_regs_struct, 该结构体定义在sys/user.h中.
程序中WIFEXITED函数(宏)用来检查子进程是被ptrace暂停的还是准备退出, 可以通过wait(2)的man page 查看详细的内容. 其中还有个值得一提的参数是PTRACE_SYSCALL,其作用是使内核在子进程进入和退出系统调用时都将其暂停, 等价于调用PTRACE_CONT并且在下一个entry/exit系统调用前暂停.
修改系统调用参数
假设我们现在要修改write系统调用的参数从而修改打印的内容,根据文档可知,其第二个参数为write字符串的地址, 第三个参数为字符串的字节数,因此我们可以用:
代码语言：javascript复制val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA, child, addr, NULL);来得到字符串的内容. 值得一提的是, 由于ptrace的返回值是long型的,因此一次最多只能读取sizeof(long)个字节 的数据,可以多次读取addr i*sizeof(long)然后合并得到最终的字符串内容. 在64bit系统下一次可以读取64/8=8字节的数据.
修改字符串后,可以用:
代码语言：javascript复制ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, addr, data);来更新系统调用参数. 同样一次只能更新8字节,因此需要分多次将结果放到long型的data里,再按顺序更新到addr i*sizeof(long)中. 一个读取参数字符串值的例子如下:
#define long_size sizeof(long);
void getdata(pid_t child, long addr,
char *str, int len) {
char *laddr;
int i, j;
union u {
long val;
char chars[long_size];
}data;
i = 0;
j = len / long_size;
laddr = str;
while(i < j) {
data.val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,
child, addr i * 8,
NULL);
if(data.val == -1)
if(errno) {
printf("READ error: %sn", strerror(errno));
}
memcpy(laddr, data.chars, long_size);
i;
laddr = long_size;
}
j = len % long_size;
if(j != 0) {
data.val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,
child, addr i * 8,
NULL);
memcpy(laddr, data.chars, j);
}
str[len] = ' ';
}值得一提的是union类型可以用来很方便地往64bit寄存器(long型)读写和转换其他类型(如char)格式的数据.
追踪其他程序的进程
上面举的例子都是追踪并修改声明了PTRACE_TRACEME的子进程的,那么我们能否追踪其他独立的正在运行的进程呢? 使用PTRACE_ATTACH参数就可以追踪正在运行的程序:
ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL)其中pid位想要追踪的进程的进程id. 当前进程会给被追踪进程发送SIGSTOP信号,但不要求立即停止, 一般会等待子进程完成当前调用. ATTACH之后就和操作fork出来的TRACEME子进程一样操作就好了. 如果要结束追踪,则再调用PTRACE_DETACH即可.
动态注入指令
用过gdb等调试器的人都知道,debugger工具可以给程序打断点和单步运行等. 这些功能其实也能用ptrace实现, 其原理就是ATTACH并追踪正在运行的进程, 读取其指令寄存器IR(32bit系统为%eip, 64位系统为%rip)的内容, 备份后替换成目标指令,再使其返回运行;此时被追踪进程就会执行我们替换的指令. 运行完注入的指令之后, 我们再恢复原进程的IR,从而达到改变原程序运行逻辑的目的. talk is cheap, 先写个循环打印的程序:
代码语言：javascript复制//victim.c
int main() {
while(1) {
printf("Hello, ptrace! [pid:%d]n", getpid());
sleep(2);
}
return 0;
}程序运行后会每隔2秒会打印到终端.然后再另外编写一个程序:
代码语言：javascript复制//attacker.c
int main(int argc, char *argv[]) {
if(argc!=2) {
printf("Usage: %s pidn", argv[0]);
return 1;
}
pid_t victim = atoi(argv[1]);
struct user_regs_struct regs;
/* int 0x80, int3 */
unsigned char code[] = {0xcd,0x80,0xcc,0x00,0,0,0,0};
char backup[8];
ptrace(PTRACE_ATTACH, victim, NULL, NULL);
long inst;
wait(NULL);
ptrace(PTRACE_GETREGS, victim, NULL, ®s);
inst = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, victim, regs.rip, NULL);
printf("Victim: EIP:0x%llx INST: 0x%lxn", regs.rip, inst);
/* Copy instructions into a backup variable */
getdata(victim, regs.rip, backup, 7);
/* Put the breakpoint */
putdata(victim, regs.rip, code, 7);
/* Let the process continue and execute the int 3 instruction */
ptrace(PTRACE_CONT, victim, NULL, NULL);
wait(NULL);
printf("Press Enter to continue ptraced process.n");
getchar();
putdata(victim, regs.rip, backup, 7);
ptrace(PTRACE_SETREGS, victim, NULL, ®s);
ptrace(PTRACE_CONT, victim, NULL, NULL);
ptrace(PTRACE_DETACH, victim, NULL, NULL);
return 0;
}运行后会将一直循环输出的进程暂停, 再按回车使得进程恢复循环输出. 其中putdata和getdata在上文中已经介绍过了. 我们用之前替换寄存器内容的方法,将%rip的内容修改为int 3的机器码, 使得对应进程暂停执行; 恢复寄存器状态时使用的是PTRACE_SETREGS参数. 值得一提的是对于不同的处理器架构, 其使用的寄存器名称也不尽相同, 在不同的机器上允许时代码也要作相应的修改.
这里注入的代码长度只有8个字节, 而且是用shellcode的格式注入, 但实际中我们可以在目标进程中动态加载库文件(.so), 包括标准库文件(如libc.so)和我们自己编译的库文件, 从而可以通过传递函数地址和参数来进行复杂的注入,限于篇幅暂不细说. 不过需要注意的是动态链接库挂载的地址是动态确定的, 可以在/proc/pid/maps文件中查看, 其中pid为进程id.
参考资料
- playing with ptrace part I
- playing with ptrace part II
- 安卓动态调试之Hook
