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。

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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。

  .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

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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