execve系统调用_张凯捷—系统调用分析(3) (基于最新Linux5.0版本系统调用日志收集系统)...

在上一篇文章《系统调用分析(2)》中介绍和分析了32位和64位的快速系统调用指令——sysenter/sysexit和syscall/sysret，以及内核对快速系统调用部分的相关代码，并追踪了一个用户态下的系统调用程序运行过程。

本篇中将基于最新的Linux-5.0内核，添加一个系统调用，完成一个“系统调用日志收集系统”；并对这三篇文章进行一个总结。

加前两篇文章在这里：

https://mp.weixin.qq.com/s/3Dvd2dy0l6OYFVGzfEvOcg

https://mp.weixin.qq.com/s/7uXVXXqzN8wMqgxqrN_5og

加一个系统调用

单纯添加一个系统调用会显得有些单调，出于既是作业又是学习角度，将系统调用、工作队列、修改内核、内核编译和内核模块编写插入等结合起来，通过完成一个系统调用日志收集系统。

系统调用日志收集系统的目的

系统调用是用户程序与系统打交道的入口，系统调用的安全直接关系到系统的安全，如果一个用户恶意地不断调用fork()将导致系统负载增加，所以如果能收集到是谁调用了一些有危险的系统调用，以及系统调用的时间和其他信息，将有助于系统管理员进行事后追踪，从而提高系统的安全性。

系统调用日志收集系统概述

图3-1 系统调用日志收集系统示意图

根据示意图，系统调用日志收集系统所做工作为：当用户进程执行系统调用，运行到内核函数do_syscall_64时，进行判断是否为我们需要记录的系统调用，如果是我们需要记录的系统调用则通过my_audit这一函数将记录内容写入内核中的buffer里；同时编写用户态测试程序调用335号系统调用(myaudit)，这一系统调用调用my_sysaudit这一函数将内核buffer中数据copy到用户buffer中并显示日志内容；其中我们调用的my_audit和my_sysaudit都是钩子函数，具体实现使用内核模块完成并插入，方便调试。

系统调用日志收集系统实现

(1)增加系统调用表的表项

打开arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl，添加一个系统调用表项：

335 common  myaudit         __x64_sys_myaudit

(2)添加系统调用函数

在arch/x86/kernel/目录下添加myaudit.c文件完成系统调用函数：

#include

void (*my_audit) (int, int) = 0;

int (*my_sysaudit)(u8, u8 *, u16, u8) = 0;

SYSCALL_DEFINE4(myaudit, u8, type, u8 *, us_buf, u16, us_buf_size, u8, reset)

{

if (my_sysaudit) {

return (*my_sysaudit)(type, us_buf, us_buf_size, reset);

        printk("IN KERNEL: my system call sys_myaudit() working\n");    } else        printk("my_sysadit is not exist\n");

return 1;

}

EXPORT_SYMBOL(my_audit);

EXPORT_SYMBOL(my_sysaudit);

这里可以看到实际上定义两个钩子函数，在我们系统调用里去调用这两个钩子函数，这样可以以模块的方式添加这两个函数的具体内容，方便调试。

(3)修改Makefile

修改arch/x86/kernel/Makefile，将myaduit.c文件加入内核编译：

obj-y           += myaudit.o

(4)增加函数声明

在include/linux/syscalls.h最后的endif前添加函数声明：

asmlink long sys_myaudit(u8, u8 *, u16, u8);

extern void (*my_audit)(int, int);

(5)拦截相关系统调用

正如前面对syscall执行的分析，修改do_syscall_64()函数(在/arch/x86/entry/common.c中)，对系统调用号nr进行判断，如果是我们日志收集系统需要记录的系统调用，就调用我们的记录函数进行记录：

__visible void do_syscall_64(unsigned long nr, struct pt_regs *regs)

{

...

nr = syscall_trace_enter(regs);

nr &= __SYSCALL_MASK;

if (likely(nr < NR_syscalls)) {

nr = array_index_nospec(nr, NR_syscalls);

regs->ax = sys_call_table[nr](regs);

if (nr == 57 || nr == 2 || nr == 3 || nr == 59 || nr == 39 || nr == 56) {

if (my_audit)

(*my_audit)(nr, regs->ax);

else

printk("my_audit is not exist.\n"); } } syscall_return_slowpath(regs); }

可以看到要记录的系统调用有：2：open；3：close；39：getpid；56：clone；57：fork；59：execve。

(6)重新编译内核

#提前把原来内核版本的.config拷贝到5.0内核源码根目录下

cd linux-5.0的路径

sudo cp /usr/src/内核版本/.config ./

#进入menuconfig后按照 load->OK->save->OK->exit->exit执行

sudo make menuconfig

sudo make olddefconfig

#编译内核

sudo make bzImage -j2

sudo make modules

#安装内核修改引导

sudo make modules_install sudo make install

sudo update-grub2

#重启

sudo reboot

(7)添加实现钩子函数的内核模块

my_audit.c:#include

#include

#define COMM_SIZE 16

#define AUDIT_BUF_SIZE 100

MODULE_LICENSE("GPL v2");

struct syscall_buf {

u32 serial; u64 ts_sec; u64 ts_micro; u32 syscall;

u32 status;

pid_t pid;

uid_t uid;

u8 comm[COMM_SIZE]; };

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(buffer_wait);

static struct syscall_buf audit_buf[AUDIT_BUF_SIZE];

static int current_pos = 0;

static u32 serial = 0;

void syscall_audit(int syscall, int return_status)

{

struct syscall_buf *ppb_temp;

struct timespec64 nowtime;

ktime_get_real_ts64(&nowtime);

if (current_pos < AUDIT_BUF_SIZE) {

 ppb_temp = &audit_buf[current_pos]; ppb_temp->serial = serial++; ppb_temp->ts_sec = nowtime.tv_sec; ppb_temp->ts_micro = nowtime.tv_nsec; ppb_temp->syscall = syscall; ppb_temp->status = return_status; ppb_temp->pid = current->pid;

ppb_temp->uid = current->tgid;

memcpy(ppb_temp->comm, current->comm, COMM_SIZE);

if (++current_pos == AUDIT_BUF_SIZE * 8 / 10)

{ printk("IN MODULE_audit: yes, it near full\n"); wake_up_interruptible(&buffer_wait); } }

}

int sys_audit(u8 type, u8 *us_buf, u16 us_buf_size, u8 reset)

{

int ret = 0;

if (!type) {

if (clear_user(us_buf, us_buf_size)) {

printk("Error:clear_user\n");

return 0;

}

     printk("IN MODULE_systemcall:starting...\n");     ret = wait_event_interruptible(buffer_wait, current_pos >= AUDIT_BUF_SIZE * 8 / 10);

printk("IN MODULE_systemcall:over, current_pos is %d\n", current_pos);

if(copy_to_user(us_buf, audit_buf, (current_pos)*sizeof(struct syscall_buf))) {

printk("Error: copy error\n");

return 0;

} ret = current_pos; current_pos = 0;

}

return ret;

}

static int __init audit_init(void)

{

my_sysaudit = sys_audit; my_audit = syscall_audit;

printk("Starting System Call Auditing\n");

return 0;

}

module_init(audit_init);

static void __exit audit_exit(void)

{

my_audit = NULL; my_sysaudit = NULL;

printk("Exiting System Call Auditing\n");

return ;

} module_exit(audit_exit);

(8)实现用户空间收集日志进程程序

test_syscall.c：

#include

#define COMM_SIZE 16

typedef unsigned char u8;

typedef unsigned int u32;

typedef unsigned long long u64;

struct syscall_buf {

u32 serial; u64 ts_sec; u64 ts_micro; u32 syscall;

u32 status;

pid_t pid;

uid_t uid;

u8 comm[COMM_SIZE];

};

#define AUDIT_BUF_SIZE (20 * sizeof(struct syscall_buf))

int main(int argc, char *argv[]){

u8 col_buf[AUDIT_BUF_SIZE];

unsigned char reset = 1;

int num = 0;

int i, j;

struct syscall_buf *p;

while(1) { num = syscall(335, 0, col_buf, AUDIT_BUF_SIZE, reset); printf("num: %d\n", num);

p = (struct syscall_buf *)col_buf;

for(i = 0; i < num; i++) {

printf("num [%d], serial: %d,\t syscall: %d,\t pid: %d,\t comm: %s,\t ts_sec: %ld\n", i, p[i].serial, p[i].syscall, p[i].pid, p[i].comm, ctime(&p[i].ts_sec));

} } return 1; }

(9)测试系统

运行用户空间收集日志进程程序，随着OS系统的运行，不断从内核里记录相关系统调用日志的buffer中取出打印在屏幕上：

图3-2 系统测试截图

总结

图 4-1 系统调用总结图

《系统调用分析》一共三篇文章，先从最早的系统调用方法——(int 80)开始，基于Linux-2.6.39内核开始分析，对用软中断系统调用的初始化、处理流程和系统调用表进行了学习探究。随后，基于Linux-4.20内核分析学习了从机制上对系统调用进行优化的方法——vsyscalls和vDSO。之后对32位下的快速系统调用指令——sysenter/sysexit进行指令学习和对相关Linux源码分析。然后在Linux-4.20内核下编写调用系统调用的程序，使用gdb进行调试跟踪并分析出最后使用syscall指令执行系统调用，再对64位下的快速系统调用指令syscall/sysret进行指令学习和对相关Linux源码分析。最后在Linux-5.0内核上完成一个系统调用日志收集系统，其中包含着添加系统调用，编译内核，修改内核代码，添加内核模块，编写用户态程序测试。

参考文献

[1] 英特尔®64和IA-32架构软件开发人员手册合并卷. https://software.intel.com/sites/default/files/managed/39/c5/325462-sdm-vol-1-2abcd-3abcd.pdf

[2] The Definitive Guide to Linux System Calls. https://blog.packagecloud.io/eng/2016/04/05/the-definitive-guide-to-linux-system-calls/#32-bit-fast-system-calls

[3] Linux 2.6 对新型 CPU 快速系统调用的支持. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-k26ncpu/index.html

[4] vsyscalls and vDSO. https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/SysCall/linux-syscall-3.html

[5] Linux系统调用过程分析. https://www.binss.me/blog/the-analysis-of-linux-system-call/

[6] Fix-Mapped Addresses and ioremap. https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/MM/linux-mm-2.html

[7] 王宗涛. Linux快速系统调用实现机制分析. TP316.81

[8] linux下系统调用的实现. https://www.pagefault.info/2010/10/09/implementation-of-system-call-under-linux.html