使用Ptrace去拦截和仿真Linux系统调用

为演示需要，我同时构建了一个非常小的接口，这在实践中并不是个好主意。它与 OpenBSD 的 pledge(2) 稍有一些相似之处，它使用了一个 字符串接口。事实上，设计一个健壮且安全的权限集是非常复杂的，正如在 pledge(2) 的手册页面上所显示的那样。下面是对被跟踪进程的系统调用的完整接口和实现：

#define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
 
#define XPLEDGE_RDWR (1 << 0)
#define XPLEDGE_OPEN (1 << 1)
 
#define xpledge(arg) syscall(SYS_xpledge, arg)

如果给它传递个参数 0 ，仅允许一些基本的系统调用，包括那些用于去分配内存的系统调用（比如 brk(2)）。 PLEDGE_RDWR 位允许 各种 读和写的系统调用（read(2)、readv(2)、pread(2)、preadv(2) 等等）。PLEDGE_OPEN 位允许 open(2)。

为防止发生提升权限的行为，pledge() 会拦截它自己 —— 但这样也防止了权限撤销，以后再细说这方面内容。

在 xpledge 跟踪器中，我需要去检查这个系统调用：

/* Handle entrance */
switch (regs.orig_rax) {
    case SYS_pledge:
        register_pledge(regs.rdi);
        break;
}

操作系统将返回 ENOSYS（函数尚未实现），因为它不是一个真实的系统调用。为此在退出时我用一个 success(0) 去覆写它。

/* Handle exit */
switch (regs.orig_rax) {
    case SYS_pledge:
        ptrace(PTRACE_POKEUSER, pid, RAX * 8, 0);
        break;
}

我写了一小段测试程序去打开 /dev/urandom，做一个读操作，尝试去承诺后，然后试着第二次打开 /dev/urandom，然后确认它能够读取原始的 /dev/urandom 文件描述符。在没有承诺跟踪器的情况下运行，输出如下：

$ ./example
fread("/dev/urandom")[1] = 0xcd2508c7
XPledging...
XPledge failed: Function not implemented
fread("/dev/urandom")[2] = 0x0be4a986
fread("/dev/urandom")[1] = 0x03147604

做一个无效的系统调用并不会让应用程序崩溃。它只是失败，这是一个很方便的返回方式。当它在跟踪器下运行时，它的输出如下：

>$ ./xpledge ./example
fread("/dev/urandom")[1] = 0xb2ac39c4
XPledging...
fopen("/dev/urandom")[2]: Operation not permitted
fread("/dev/urandom")[1] = 0x2e1bd1c4

这个承诺很成功，第二次的 fopen(3) 并没有进行，因为跟踪器用一个 EPERM 阻塞了它。

可以将这种思路进一步发扬光大，比如，改变文件路径或返回一个假的结果。一个跟踪器可以很高效地 chroot 它的被跟踪进程，通过一个系统调用将任意路径传递给 root 从而实现 chroot 路径。它甚至可以对用户进行欺骗，告诉用户它以 root 运行。事实上，这些就是 Fakeroot NG 程序所做的事情。

仿真外部系统

假设你不满足于仅拦截一些系统调用，而是想拦截全部系统调用。你就会有了 一个打算在其它操作系统上运行的二进制程序，无需系统调用，这个二进制程序可以一直运行。

使用我在前面所描述的这些内容你就可以管理这一切。跟踪器可以使用一个假冒的东西去代替系统调用号，允许它失败，以及为系统调用本身提供服务。但那样做的效率很低。其实质上是对每个系统调用做了三个上下文切换：一个是在入口上停止，一个是让系统调用总是以失败告终，还有一个是在系统调用退出时停止。

从 2005 年以后，对于这个技术，PTrace 的 Linux 版本有更高效的操作：PTRACE_SYSEMU。PTrace 仅在每个系统调用发出时停止一次，在允许被跟踪进程继续运行之前，由跟踪器为系统调用提供服务。

for (;;) {
    ptrace(PTRACE_SYSEMU, pid, 0, 0);
    waitpid(pid, 0, 0);
 
    struct user_regs_struct regs;
    ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, 0, &regs);
 
    switch (regs.orig_rax) {
        case OS_read:
            /* ... */
 
        case OS_write:
            /* ... */
 
        case OS_open:
            /* ... */
 
        case OS_exit:
            /* ... */
 
        /* ... and so on ... */
    }
}

（编辑：瑞安网）

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