linux ptrace I
这几天通过《游戏安全——手游安全技术入门这本书》了解到linux系统中ptrace()这个函数可以实现外挂功能，于是在ubuntu 16.04 x86_64系统上对这个函数进行了学习。
参考资料：
Playing with ptrace, Part I
Playing with ptrace, Part II
这两篇文章里的代码都是在x86平台上运行的，本文中将其移植到了x86_64平台。
ptrace提供让一个进程来控制另一个进程的能力，包括检测，修改被控制进程的代码，数据，寄存器，进而实现设置断点，注入代码和跟踪系统调用的功能。
这里把使用ptrace函数的进程称为tracer，被控制的进程称为tracee。
使用ptrace函数来拦截系统调用（system call）
操作系统向上层提供标准的API来执行与底层硬件交互的操作，这些标准API称为系统调用，每个系统调用都有一个调用编号，可以在unistd.h中查询。当进程触发一个系统调用时它会把参数放入寄存器中，然后通过软中断进入内核模式，通过内核来执行这个系统调用的代码。
在X86_64体系中，系统调用号保存在rax,调用参数依次保存在rdi,rsi,rdx,rcx,r8和r9中；而在x86体系中，系统调用号保存在寄存器eax中，其余的参数依次保存在ebx,ecx,edx,esi中
例如控制台打印所执行的系统调用为
write(1,"Hello",5)
翻译为汇编代码为
mov rax, 1 mov rdi, message mov rdx, 5 syscall message: db "Hello"
在执行系统调用时，内核先检测一个进程是否为tracee，如果是的话内核就会暂停该进程，然后把控制权转交给tracer，之后tracer就可以查看或者修改tracee的寄存器了。
示例代码如下
#include <sys/ptrace.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <unistd.h> #include <sys/reg.h> #include <sys/user.h> #include <stdio.h> 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 %ld\n",orig_rax); ptrace(PTRACE_CONT,child,NULL,NULL); } return 0; }
//输出：the child made a system call 59
该程序通过fork创建出一个我们将要跟踪（trace）的子进程，在执行execl之前，子进程通过ptrace函数的PTRACE_TRACEME参数来告知内核自己将要被跟踪。
对于execl，这个函数实际上会触发execve这个系统调用，这时内核发现此进程为tracee，然后将其暂停，发送一个signal唤醒等待中的tracer(此程序中为主线程)。
当触发系统调用时，内核会将保存调用编号的rax寄存器的内容保存在orig_rax中，我们可以通过ptrace的PTRACE_PEEKUSER参数来读取。
ORIG_RAX为寄存器编号,保存在sys/reg.h中，而在64位系统中，每个寄存器有8个字节的大小，所以此处用8*ORIG_RAX来获取该寄存器地址。
当我们获取到系统调用编号以后，就可以通过ptrace的PTRACE_CONT参数来唤醒暂停中的子进程，让其继续执行。
ptrace参数
long ptrace(enum __ptrace_request request,pid_t pid,void addr, void *data);
参数request 控制ptrace函数的行为，定义在sys/ptrace.h中。
参数pid 指定tracee的进程号。
以上两个参数是必须的，之后两个参数分别为地址和数据，其含义由参数request控制。
具体request参数的取值及含义可查看帮助文档（控制台输入： man ptrace）
注意返回值，man手册上的说法是返回一个字的数据大小，在32位机器上是4个字节，在64位机器上是8个字节，都对应一个long的长度。百度可以搜到很多不负责的帖子说返回一个字节的数据是不对的！
读取系统调用参数
通过ptrace的PTRACE_PEEKUSER参数，我们可以查看USER区域的内容，例如查看寄存器的值。USER区域为一个结构体（定义在sys/user.h中的user结构体）。
内核将寄存器的值储存在该结构体中，便于tracer通过ptrace函数查看。
示例代码如下
#include <sys/ptrace.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <sys/reg.h> #include <sys/user.h> #include <sys/syscall.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> int main() { pid_t child; long orig_rax,rax; long params[3]={0}; int status; int insyscall = 0; child = fork(); if(child == 0) { ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); execl("/bin/ls","ls",NULL); } else { while(1) { wait(&status); if(WIFEXITED(status)) break; orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL); //printf("the child made a system call %ld\n",orig_rax); if(orig_rax == SYS_write) { if(insyscall == 0) { insyscall = 1; params[0] = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RDI,NULL); params[1] = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RSI,NULL); params[2] = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RDX,NULL); printf("write called with %ld, %ld, %ld\n",params[0],params[1],params[2]); } else { rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RAX,NULL); printf("write returned with %ld\n",rax); insyscall = 0; } } ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL); } } return 0; }
/***
输出：
write called with 1, 25226320, 65
ptrace_1.c ptrace_2.c ptrace_3.C ptrace_4.C ptrace_5.c test.c
write returned with 65
***/
以上代码中我们查看write系统调用（由ls命令向控制台打印文字触发）的参数。
为了追踪系统调用，我们使用ptrace的PTRACE_SYSCALL参数，它会使tracee在触发系统调用或者结束系统调用时暂停，同时向tracer发送signal。
在之前的例子中我们使用PTRACE_PEEKUSER参数来查看系统调用的参数，同样的，我们也可以查看保存在RAX寄存器中的系统调用返回值。
上边代码中的status变量时用来检测是否tracee已经执行结束，是否需要继续等待tracee执行。
读取所有寄存器的值
这个例子中演示一个获取寄存器值的简便方法
#include <sys/ptrace.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <sys/user.h> #include <sys/reg.h> #include <sys/syscall.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main() { pid_t child; long orig_rax ,rax; long params[3] = {0}; int status = 0; int insyscall = 0; struct user_regs_struct regs; child = fork(); if(child == 0) { ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); execl("/bin/ls","ls",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) { if(insyscall == 0) { insyscall = 1; ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s); printf("write called with %llu, %llu, %llu\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx); } else { ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s); printf("write returned with %ld\n",regs.rax); insyscall = 0; } } ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL); } } return 0; }
这个例子中通过PTRACE_GETREGS参数获取了所有的寄存器值。结构体user_regs_struct定义在sys/user.h中。
修改系统调用的参数
现在我们已经知道如何拦截一个系统调用并查看其参数了，接下来我们来修改它
#include <sys/ptrace.h> #include <sys/user.h> #include <sys/reg.h> #include <sys/wait.h> #include <sys/syscall.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #define LONG_SIZE 8 //获取参数 char* getdata(pid_t child,unsigned long addr,unsigned long len) { char *str =(char*) malloc(len + 1); memset(str,0,len +1); union u{ long int val; char chars[LONG_SIZE]; }word; int i, j; for(i = 0,j = len/LONG_SIZE; i<j; ++i) { word.val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + i*LONG_SIZE,NULL); if(word.val == -1) perror("trace get data error"); memcpy(str+i*LONG_SIZE,word.chars,LONG_SIZE); } j = len % LONG_SIZE; if(j != 0) { word.val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + i*LONG_SIZE,NULL); if(word.val == -1) perror("trace get data error"); memcpy(str+i*LONG_SIZE,word.chars,j); } return str; } //提交参数 void putdata(pid_t child,unsigned long addr,unsigned long len, char *newstr) { union u { long val; char chars[LONG_SIZE]; }word; int i,j; for(i = 0, j = len/LONG_SIZE; i<j ; ++i) { memcpy(word.chars,newstr+i*LONG_SIZE,LONG_SIZE); if(ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, addr+i*LONG_SIZE,word.val) == -1) perror("trace error"); } j = len % LONG_SIZE; if(j !=0 ) { memcpy(word.chars,newstr+i*LONG_SIZE,j); ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, addr+i*LONG_SIZE,word.val); } }
//修改参数 void reserve(char *str,unsigned int len) { int i,j; char tmp; for(i=0,j=len-2; i<=j; ++i,--j ) { tmp = str[i]; str[i] = str[j]; str[j] = tmp; } } int main() { pid_t child; child = fork(); if(child == 0) { ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); execl("/bin/ls","ls",NULL); } else { struct user_regs_struct regs; int status = 0; int toggle = 0; while(1) { wait(&status); if(WIFEXITED(status)) break; memset(®s,0,sizeof(struct user_regs_struct)); if(ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s) == -1) { perror("trace error"); } if(regs.orig_rax == SYS_write) { if(toggle == 0) { toggle = 1; //in x86_64 system call ,pass params with %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9 //no system call has over six params printf("make write call params %llu, %llu, %llu\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx); char *str = getdata(child,regs.rsi,regs.rdx); printf("old str,len %lu:\n%s",strlen(str),str); reserve(str,regs.rdx); printf("hook str,len %lu:\n%s",strlen(str),str); putdata(child,regs.rsi,regs.rdx,str); free(str); } else { toggle = 0; } } ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL); } } return 0; }
/***
输出：
make write call params 1, 9493584, 66
old str,len 66:
ptrace ptrace2 ptrace3 ptrace4 ptrace5 test test.s
hook str,len 66:
s.tset tset 5ecartp 4ecartp 3ecartp 2ecartp ecartp
s.tset tset 5ecartp 4ecartp 3ecartp 2ecartp ecartp
make write call params 1, 9493584, 65
old str,len 65:
ptrace_1.c ptrace_2.c ptrace_3.C ptrace_4.C ptrace_5.c test.c
hook str,len 65:
c.tset c.5_ecartp C.4_ecartp C.3_ecartp c.2_ecartp c.1_ecartp
c.tset c.5_ecartp C.4_ecartp C.3_ecartp c.2_ecartp c.1_ecartp
***/
这个例子中，综合了以上我们提到的所有知识。进一步得，我们使用了ptrace的PTRACE_POKEDATA参数来修改系统调用的参数值。
这个参数和PTRACE_PEEKDATA参数的作用相反，它可以修改tracee指定地址的数据。
单步调试
接下来介绍一个调试器中常用的操作，单步调试，它就用到了ptrace的PTRACE_SINGLESTEP参数。
#include <sys/ptrace.h> #include <sys/types.h> #include <sys/user.h> #include <sys/reg.h> #include <sys/syscall.h> #include <sys/wait.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #define LONG_SIZE 8 void main() { pid_t chid; chid = fork(); if(chid == 0) { ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
//这里的test是一个输出hello world的小程序 execl("./test","test",NULL); } else { int status = 0; struct user_regs_struct regs; int start = 0; long ins; while(1) { wait(&status); if(WIFEXITED(status)) break; ptrace(PTRACE_GETREGS,chid,NULL,®s); if(start == 1) { ins = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,chid,regs.rip,NULL); printf("EIP:%llx Instuction executed:%lx\n",regs.rip,ins); } if(regs.orig_rax == SYS_write) { start = 1; ptrace(PTRACE_SINGLESTEP,chid,NULL,NULL); }else{ ptrace(PTRACE_SYSCALL,chid,NULL,NULL); } } } }
通过rip寄存器的值来获取下一条要执行指令的地址，然后用PTRACE_PEEKDATA读取。
这样，就可以看到要执行的每条指令的机器码。
注：本文对开头文章参考资料进行了一些翻译，所有代码均在ubuntu 16.04 64bit 中运行通过。
