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通過一個小實驗認識Linux vDSO

2020-09-29 02:56:24 軟體設計

這里不再解釋vDSO的概念,而直接談其意義:

  • vDSO類似一個資訊公告板,用戶可以直取所需,而無需為此辦理任何手續,
  • vDSO相當于內核直接暴露出來的一個C庫,作為GLIBC的補充,

類似gettimeofday之類的呼叫,每次都陷入內核去拿一個時間戳,顯得有點昂貴了,不如內核把時間戳放在一個公共的可以暴露給任何用戶的地方,用戶自己去看就行了,這是vDSO的典型用例,

為了簡單化描述,我們關閉ASLR:

[root@localhost ~]# sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

隨便打開一個ping程式,獲取其/proc/pid/smap中vdso的map區間:

7ffff7ffa000-7ffff7ffc000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
Size:                  8 kB
...

我們將其dd出來:

[root@localhost ~]# dd if=/proc/3688/mem of=./vsdo.dd obs=1 bs=1 skip=140737354113024 count=8192

隨后我們看看它是什么:

[root@localhost ~]# file ./vdso.dd
./vdso.dd: ELF 64-bit LSB shared object, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked, BuildID[sha1]=09be88363f7ca8b05e2cb54a82d16bec2e840186, stripped

那么,接下來可以objdump了,就像對待普通的元件一樣:

[root@localhost ~]# objdump -T vdso.dd

vdso.dd:     檔案格式 elf64-x86-64

DYNAMIC SYMBOL TABLE:
ffffffffff700354 l    d  .eh_frame_hdr	0000000000000000              .eh_frame_hdr
ffffffffff700700  w   DF .text	000000000000059d  LINUX_2.6   clock_gettime
0000000000000000 g    DO *ABS*	0000000000000000  LINUX_2.6   LINUX_2.6
ffffffffff700ca0 g    DF .text	00000000000002d5  LINUX_2.6   __vdso_gettimeofday
ffffffffff700fa0 g    DF .text	000000000000003d  LINUX_2.6   __vdso_getcpu
ffffffffff700ca0  w   DF .text	00000000000002d5  LINUX_2.6   gettimeofday
ffffffffff700f80  w   DF .text	0000000000000016  LINUX_2.6   time
ffffffffff700fa0  w   DF .text	000000000000003d  LINUX_2.6   getcpu
ffffffffff700700 g    DF .text	000000000000059d  LINUX_2.6   __vdso_clock_gettime
ffffffffff700f80 g    DF .text	0000000000000016  LINUX_2.6   __vdso_time

看看,看看,里面竟都是些什么東西,竟是一些時間公告函式啊,這意味著如果你想獲取時間,調這里的函式就好了,我們看看最簡單的time系統呼叫是如何來獲取時間的,下面是對待vdso.dd檔案的objdump -D的結果:

ffffffffff700f80 <__vdso_time@@LINUX_2.6>:
ffffffffff700f80:   55                      push   %rbp
ffffffffff700f81:   48 85 ff                test   %rdi,%rdi
ffffffffff700f84:   48 8b 04 25 a8 f0 5f    mov    0xffffffffff5ff0a8,%rax
ffffffffff700f8b:   ff
ffffffffff700f8c:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
ffffffffff700f8f:   74 03                   je     ffffffffff700f94 <__vdso_time@@LINUX_2.6+0x14>
ffffffffff700f91:   48 89 07                mov    %rax,(%rdi)
ffffffffff700f94:   5d                      pop    %rbp
ffffffffff700f95:   c3                      retq

很顯然,并沒有呼叫任何系統呼叫,而是直接從地址0xffffffffff5ff0a8處拿到了時間,那么地址0xffffffffff5ff0a8一定就是內核映射到用戶態的時間公告板的位置了,

記住地址0xffffffffff5ff0a8,用戶態的分析到此告一段落,我們進入內核去看一看,

首先從/proc/kallsyms中查到vdso的位置:

ffffffff81941000 D vdso_start
ffffffff819424b0 D vdso_end

其次我們找到內核時間公告板vsyscall_gtod_data的位置:

ffffffff81a75080 D vsyscall_gtod_data

我們看一下該公告板的值:

crash> struct vsyscall_gtod_data.wall_time_sec ffffffff81a75080
  wall_time_sec = 1600912854
crash> struct vsyscall_gtod_data.wall_time_sec ffffffff81a75080
  wall_time_sec = 1600912856
crash> struct vsyscall_gtod_data.wall_time_sec ffffffff81a75080
  wall_time_sec = 1600912857

顯然,公告板的wall_time_sec欄位就是回傳給time的值了,下面我們找到它的地址:

crash> struct vsyscall_gtod_data ffffffff81a75080 -o
struct vsyscall_gtod_data {
  [ffffffff81a75080] seqcount_t seq;
        struct {
            int vclock_mode;
            cycle_t cycle_last;
            cycle_t mask;
            u32 mult;
            u32 shift;
  [ffffffff81a75088] } clock;
  [ffffffff81a750a8] time_t wall_time_sec;
  [ffffffff81a750b0] u64 wall_time_snsec;
  [ffffffff81a750b8] u64 monotonic_time_snsec;
  [ffffffff81a750c0] time_t monotonic_time_sec;
  [ffffffff81a750c8] struct timezone sys_tz;
  [ffffffff81a750d0] struct timespec wall_time_coarse;
  [ffffffff81a750e0] struct timespec monotonic_time_coarse;
}

嗯,就是0xffffffff81a750a8了,它就是映射到0xffffffffff5ff0a8暴露給用戶態的那個地址了,

我們接下來證實這一點:

  • 修改掉映射地址,回傳給time呼叫以0.

我們再看公告板:

crash> struct vsyscall_gtod_data ffffffff81a75080
...
  sys_tz = {
    tz_minuteswest = 0,
    tz_dsttime = 0
  },

我們把sys_tz映射出去怎樣,這個值是一直為0的,我們期望的就是time回傳0.

為此,我們首先拿到sys_tz和wall_time_sec之間的偏移:

crash> eval ffffffff81a750c8-ffffffff81a750a8
hexadecimal: 20
    decimal: 32
      octal: 40

因此,我們只要把vdso的time函式代碼改掉即可:

ffffffffff700f84:   48 8b 04 25 a8 f0 5f    mov    0xffffffffff5ff0a8,%rax

改為:

ffffffffff700f84:   48 8b 04 25 c8 f0 5f    mov    0xffffffffff5ff0c8,%rax

即將time函式的第8個位元組,0xa8改成0xc8即可:

通過模式匹配,可以拿到time函式在vdso頁面的偏移:

     f80:   55                      push   rbp
     f81:   48 85 ff                test   rdi,rdi
     f84:   48 8b 04 25 a8 f0 5f    mov    rax,QWORD PTR ds:0xffffffffff5ff0a8
     f8b:   ff
     f8c:   48 89 e5                mov    rbp,rsp
     f8f:   74 03                   je     0xf94
     f91:   48 89 07                mov    QWORD PTR [rdi],rax
     f94:   5d                      pop    rbp
     f95:   c3                      ret

即0xf80.

那么0xffffffff81941f80便是time函式其地址了:

unsigned char *addr = (unsigned char *)0xffffffff81941f80;
addr[8] = 0xc8;

在修改之前,我們先編程驗證:

#include <time.h>
#include <stdio.h>

typedef time_t  (*time_func)(time_t *);
int main(int argc, char *argv[])
{
    time_t tloc;
    // 直接從地址拿值
	unsigned long *p = (unsigned long *)0xffffffffff5ff0a8;
	// 通過函式拿值
    time_func func = (time_func)0x7ffff7ffaf80;

    func(&tloc);
    printf("%ld\n", tloc);
	printf("%lu\n", *p);
}

預期的結果應該是兩種方式獲取的是同一個值:

[root@localhost ~]# ./a.out
1600923922
1600923922
[root@localhost ~]# ./a.out
1600923923
1600923923
[root@localhost ~]#

下面將內核頁面對應的指令修改之:

[root@localhost ~]# cat modtime.stp
#!/usr/local/bin/stap -g

function modtime(val:long)
%{
	unsigned char *addr = (unsigned char *)0xffffffff81941f80;
	unsigned char c = (unsigned char)STAP_ARG_val;

	addr[8] = c;
%}

probe begin
{
	modtime($1)
	exit()
}

執行之:

[root@localhost ~]# ./modtime.stp 0xc8
[root@localhost ~]# ./a.out
0
1600924228
[root@localhost ~]# ./a.out
0
1600924229
[root@localhost ~]# ./modtime.stp 0xa8
[root@localhost ~]# ./a.out
1600924238
1600924238
[root@localhost ~]#

當修改了vdso頁面的指令后,所有呼叫time的行程都將例外,這是很顯然的:

top - 08:00:00 up 42 min,  3 users,  load average: 0.00, 0.00, 0.00
Tasks: 114 total,   1 running, 113 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
%Cpu(s):  0.0 us,  0.0 sy,  0.0 ni,100.0 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
KiB Mem :        0 total,        0 free,        0 used,        0 buff/cache
KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.        0 avail Mem

  PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
    1 root      20   0   51696   3808   2492 S  0.0  inf   0:01.29 systemd
    2 root      20   0       0      0      0 S  0.0 -nan   0:00.00 kthreadd
    3 root      20   0       0      0      0 S  0.0 -nan   0:00.00 ksoftirqd/0
    7 root      rt   0       0      0      0 S  0.0 -nan   0:00.01 migration/0
    8 root      20   0       0      0      0 S  0.0 -nan   0:00.00 rcu_bh
    9 root      20   0       0      0      0 S  0.0 -nan   0:00.00 rcuob/0
   10 root      20   0       0      0      0 S  0.0 -nan   0:00.00 rcuob/1

值得一提的是,在vdso之前,vsyscall機制也是類似,只是說它僅僅提供了一種map,而沒有抽象出動態鏈接的含義,因此也就無法享受ASLR帶來的安全保護了,


浙江溫州皮鞋濕,下雨進水不會胖,

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