linux內核鈎子--khook

簡介

本文介紹github上的一個項目khook，一個可以在內核中增加鈎子函數的框架，支持x86。項目地址在這里：https://github.com/milabs/khook

本文先簡單介紹鈎子函數，分析這個工具的用法，然后再分析代碼，探究實現原理

鈎子

假設在內核中有一個函數，我們想截斷他的執行流程，比如說對某文件的讀操作。這樣就可以監控對這個文件的讀操作。這就是鈎子。通過插入一個鈎子函數，可以截斷程序正常的執行流程，做自己的想做的操作，可以僅僅只做一個監控，也可以徹底截斷函數的執行。

khook的用法

引入頭文件

#include "khook/engine.c"

在kbuild/makefile中加入，這是一個鏈接控制腳本，后面會具體說明這個腳本的內容

ldflags-y += -T$(src)/khook/engine.lds

使用khook_init()和khook_cleanup()對掛鈎引擎進行初始化和注銷

在內核中的函數有兩種

• 一種是在某一個頭文件中已經被包含了，也就是內核已經定義了函數聲明，這樣只需要包含內內容的頭文件就可以使用該函數
• 另一種是沒有聲明，只是.c文件內部使用的函數

對於已知原型的函數，包含頭文件后，使用下面的代碼就可以定義一個鈎子函數

#include <linux/fs.h> // has inode_permission() proto
KHOOK(inode_permission);
static int khook_inode_permission(struct inode *inode, int mask)
{
        int ret = 0;
        ret = KHOOK_ORIGIN(inode_permission, inode, mask);
        printk("%s(%p, %08x) = %d\n", __func__, inode, mask, ret);
        return ret;
}

對於原型未知的函數，則需要使用下面的方式（這里的頭文件不是函數原型所在的文件，是參數所用結構體定義的位置）

#include <linux/binfmts.h> // has no load_elf_binary() proto
KHOOK_EXT(int, load_elf_binary, struct linux_binprm *);
static int khook_load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
        int ret = 0;
        ret = KHOOK_ORIGIN(load_elf_binary, bprm);
        printk("%s(%p) = %d\n", __func__, bprm, ret);
        return ret;
}

可以函數，假設原函數名字為fun，則自定義的fun的鈎子函數名字必須為khook_fun，然后根據函數類型不同使用不同鈎子定義方式

原理分析

先上作者github上的兩張圖

未加入鈎子之前的正常執行流程

CALLER
| ...
| CALL X -(1)---> X
| ...  <----.     | ...
` RET       |     ` RET -.
            `--------(2)-'

加入鈎子之后的執行流程

CALLER
| ...
| CALL X -(1)---> X
| ...  <----.     | JUMP -(2)----> STUB.hook
` RET       |     | ???            | INCR use_count
            |     | ...  <----.    | CALL handler -(3)------> HOOK.fn
            |     | ...       |    | DECR use_count <----.    | ...
            |     ` RET -.    |    ` RET -.              |    | CALL origin -(4)------> STUB.orig
            |            |    |           |              |    | ...  <----.             | N bytes of X
            |            |    |           |              |    ` RET -.    |             ` JMP X + N -.
            `------------|----|-------(8)-'              '-------(7)-'    |                          |
                         |    `-------------------------------------------|----------------------(5)-'
                         `-(6)--------------------------------------------'

好，分析第二張圖，X的第一條指令被替換成JUMP的跳轉指令，另外，還可以知道多了3個部分STUB.hook、HOOK.fn、STUB.orig，他們的含義分別是

STUB.hook：框架自定義的鈎子函數模板，有4部分，除了引用的維護，還有3一條跳轉，8一條返回。3是跳轉到HOOK.fn

HOOK.fn：這是使用者自定義的鈎子函數，在上面的例子中，這個函數被定義成khook_inode_permission、khook_load_elf_binary。這里的4就是KHOOK_ORIGIN，鈎子替換下來的原函數地址，一般來說，自定義的鈎子函數最后也會調用原函數，用來保證正常的執行流程不會出錯

STUB.orig：框架自定義的鈎子函數模板，由於X的第一條指令被替換成JUMP的跳轉指令，要正常執行X，則需要先執行被替換的幾個字節，然后回到X，也就是圖中的過程5

所以說，整體的思路就是，替換掉需要鈎掉的函數的前幾個字節，替換成一個跳轉指令，讓X開始執行的時候跳轉到框架自定義的STUB代碼部分，STUB再調用用戶自定義的鈎子函數。然后又會執行原先被跳轉指令覆蓋的指令，最后回到被鈎掉的函數的正常執行邏輯

源碼分析

khook結構

先看一個結構體，khook，表示一個鈎子，比較難理解的就是addr_map，因為我們需要對函數的內容進行重新，需要將這個函數的內容映射到一個可以訪問的虛擬地址，addr_map就是這個虛擬地址，后面覆蓋為jump就需要向這個地址寫

/*
代表一個內核鈎子
fn：鈎子函數
name：符號名字
addr：符號地址
addr_map：符號地址被映射的虛擬地址
orig：原函數
*/
typedef struct {
    void            *fn;        // handler fn address
    struct {
        const char    *name;        // target symbol name
        char        *addr;        // target symbol addr (see khook_lookup_name)
        char        *addr_map;    // writable mapping of target symbol
    } target;
    void            *orig;        // original fn call wrapper
} khook_t;

先從用戶定義鈎子函數的入口開始分析，也就是KHOOK和KHOOK_EXT

 

/*
格式規定
假設原函數名字為fun
則自定義的fun的鈎子函數名字必須為khook_fun
*/
#define KHOOK_(t)                            \
    static inline typeof(t) khook_##t; /* forward decl */        \
    khook_t                                \
    __attribute__((unused))                        \
    __attribute__((aligned(1)))                    \
    __attribute__((section(".data.khook")))                \
    KHOOK_##t = {                            \
        .fn = khook_##t,                    \
        .target.name = #t,                    \
    }
/*
有兩種類型的函數
1、頭文件中包含了函數原型，則在代碼中包含頭文件就行了
2、寫在.c文件，但是.h文件中沒有定義，則需要通過KHOOK_EXT來定義鈎子函數
*/
#define KHOOK(t)                            \
    KHOOK_(t)
#define KHOOK_EXT(r, t, ...)                        \
    extern r t(__VA_ARGS__);                    \
    KHOOK_(t)

__attribute__((unused)表示可能不會用到

__attribute__((aligned(1)))表示一字節對齊

__attribute__((section(".data.khook")))表示這個結構需要被分配到.data.khook節中

可以明白KHOOK就是做了一個格式規定，然后保證這個結構被分配到.data.khook節中

KHOOK_EXT則是加入一個函數聲明，這樣未聲明的函數就可以被使用了

在上面的鈎子函數中，還用到了一個宏，含義根據khook就可以明白

/*
傳入原函數的名字和參數，KHOOK_ORIGIN就可以當做原函數來執行
*/
#define KHOOK_ORIGIN(t, ...)                        \
    ((typeof(t) *)KHOOK_##t.orig)(__VA_ARGS__)

鏈接腳本

關注一個問題，使用說明中，有一個條件，加入一個鏈接腳本

ldflags-y += -T$(src)/khook/engine.lds

這里看看這個鏈接腳本

SECTIONS
{
    .data : {
        KHOOK_tbl = . ;
        *(.data.khook)
        KHOOK_tbl_end = . ;
    }
}

engine.c中看到所有的鈎子都被分配到.data.khook節中
下面這個腳本的含義是將所有.data.khook的內容都放在.data節之中
.這個字符表示的是當前定位器符號的位置，所以KHOOK_tbl指向的是.data.khook開頭，KHOOK_tbl_end指向的是KHOOK_tbl_end的結尾

以下腳本將輸出文件的text section定位在0×10000, data section定位在0×8000000:

SECTIONS
{
. = 0×10000;
.text : { *(.text) }
. = 0×8000000;
.data : { *(.data) }
.bss : { *(.bss) }
}

解釋一下上述的例子:
. = 0×10000 : 把定位器符號置為0×10000 (若不指定, 則該符號的初始值為0).
.text : { *(.text) } : 將所有(*符號代表任意輸入文件)輸入文件的.text section合並成一個.text section, 該section的地址由定位器符號的值指定, 即0×10000.
. = 0×8000000 ：把定位器符號置為0×8000000
.data : { *(.data) } : 將所有輸入文件的.data section合並成一個.data section, 該section的地址被置為0×8000000.
.bss : { *(.bss) } : 將所有輸入文件的.bss section合並成一個.bss section，該section的地址被置為0×8000000+.data section的大小.
連接器每讀完一個section描述后, 將定位器符號的值*增加*該section的大小. 注意: 此處沒有考慮對齊約束.

綜上所述，這個鏈接腳本定義了兩個變量表示鈎子表的起始和結束地址，KHOOK_tbl和KHOOK_tbl_end

STUB

然后看另一個結構體，STUB

typedef struct {
#pragma pack(push, 1)
    union {
        unsigned char _0x00_[ 0x10 ];
        atomic_t use_count;
    };
    union {
        unsigned char _0x10_[ 0x20 ];
        unsigned char orig[0];
    };
    union {
        unsigned char _0x30_[ 0x40 ];
        unsigned char hook[0];
    };
#pragma pack(pop)
    unsigned nbytes;
} __attribute__((aligned(32))) khook_stub_t;

根據上一節介紹的原理可以知道，一個鈎子函數一定會有一個STUB

而這個STUB會被初始化為stub.inc或stub32.inc。也就是stub的模板。

內核指令操作函數

用到了兩個內核中操作指令的函數，兩個函數的功能是獲取某個地址的指令，用struct insn表示，和獲取這個指令的長度

/**
 下面是內核關於這兩個函數的說明
 insn_init() - initialize struct insn
 @insn:    &struct insn to be initialized
 @kaddr:    address (in kernel memory) of instruction (or copy thereof)
 @x86_64:    !0 for 64-bit kernel or 64-bit app

insn_get_length() - Get the length of instruction
@insn:    &struct insn containing instruction

If necessary, first collects the instruction up to and including the
immediates bytes.
*/
static struct {
    typeof(insn_init) *init;
    typeof(insn_get_length) *get_length;
} khook_arch_lde;

//尋找到這兩個函數的地址
static inline int khook_arch_lde_init(void) {
    khook_arch_lde.init = khook_lookup_name("insn_init");
    if (!khook_arch_lde.init) return -EINVAL;
    khook_arch_lde.get_length = khook_lookup_name("insn_get_length");
    if (!khook_arch_lde.get_length) return -EINVAL;
    return 0;
}

//獲取地址p的指令的長度，先調用insn_init獲得insn結構，然后調用get_length得到指令長度，結果存放在insn的length字段
static inline int khook_arch_lde_get_length(const void *p) {
    struct insn insn;
    int x86_64 = 0;
#ifdef CONFIG_X86_64
    x86_64 = 1;
#endif
#if defined MAX_INSN_SIZE && (MAX_INSN_SIZE == 15) /* 3.19.7+ */
    khook_arch_lde.init(&insn, p, MAX_INSN_SIZE, x86_64);
#else
    khook_arch_lde.init(&insn, p, x86_64);
#endif
    khook_arch_lde.get_length(&insn);
    return insn.length;
}

查找符號表

內核中有一個全局的符號表kallsyms，可以通過/proc/kallsyms來查詢，也可以通過system.map來獲取內核編譯時期形成的靜態符號表。

在內核中，同樣可以使用函數kallsyms_on_each_symbol來查詢符號表，這個函數被封裝成了下面兩個部分

//查詢符號表的函數
static int khook_lookup_cb(long data[], const char *name, void *module, long addr)
{
    int i = 0; while (!module && (((const char *)data[0]))[i] == name[i]) {
        if (!name[i++]) return !!(data[1] = addr);
    } return 0;
}
/*
利用kallsyms_on_each_symbol可以查詢符號表，只需要傳入查詢函數就可以了
data[0]表示要查詢的地址
data[1]表示結果
*/
static void *khook_lookup_name(const char *name)
{
    long data[2] = { (long)name, 0 };
    kallsyms_on_each_symbol((void *)khook_lookup_cb, data);
    return (void *)data[1];
}

前面說到，由於是需要符號符號執行的內存，所以需要給這個符號執行的地址分配一個虛擬地址，這個操作封裝在下面這個函數中

//為符號所在的物理內存建立一個虛擬地址的映射
static void *khook_map_writable(void *addr, size_t len)
{
    struct page *pages[2] = { 0 }; // len << PAGE_SIZE
    long page_offset = offset_in_page(addr);
    int i, nb_pages = DIV_ROUND_UP(page_offset + len, PAGE_SIZE);

    addr = (void *)((long)addr & PAGE_MASK);
    for (i = 0; i < nb_pages; i++, addr += PAGE_SIZE) {
        if ((pages[i] = is_vmalloc_addr(addr) ?
             vmalloc_to_page(addr) : virt_to_page(addr)) == NULL)
            return NULL;
    }

    addr = vmap(pages, nb_pages, VM_MAP, PAGE_KERNEL);
    return addr ? addr + page_offset : NULL;
}

初始化流程

要使用框架，先要調用khook_init函數，它定義在engine.c中

int khook_init(void)
{
    void *(*malloc)(long size) = NULL;

    //為所有鈎子的stub分配內存
    malloc = khook_lookup_name("module_alloc");
    if (!malloc || KHOOK_ARCH_INIT()) return -EINVAL;

    khook_stub_tbl = malloc(KHOOK_STUB_TBL_SIZE);
    if (!khook_stub_tbl) return -ENOMEM;
    memset(khook_stub_tbl, 0, KHOOK_STUB_TBL_SIZE);

    //從kallsyms尋找到每個鈎子的地址
    khook_resolve();

    //建立映射
    khook_map();
    //停止所有機器，執行khook_sm_init_hooks
    stop_machine(khook_sm_init_hooks, NULL, NULL);
    khook_unmap(0);

    return 0;
}

這個函數，做了以下幾件事

1、分配所有STUB需要用到的內存

2、查找符號表，獲得所有需要鈎住的函數的地址。然后建立虛擬地址的映射

3、執行khook_sm_init_hook，建立好STUB和khook的關聯，保證他們的跳轉邏輯

查找符號的地址函數很簡單，看下面

//對KHOOK_tbl中每一個鈎子都獲得他們在內核中的地址
static void khook_resolve(void)
{
    khook_t *p;
    KHOOK_FOREACH_HOOK(p) {
        p->target.addr = khook_lookup_name(p->target.name);
    }
}

同樣建立映射的函數

//為鈎子建立好虛擬地址的映射
static void khook_map(void)
{
    khook_t *p;
    KHOOK_FOREACH_HOOK(p) {
        if (!p->target.addr) continue;
        p->target.addr_map = khook_map_writable(p->target.addr, 32);
        khook_debug("target %s@%p -> %p\n", p->target.name, p->target.addr, p->target.addr_map);
    }
}

最重要的就是第3步

static int khook_sm_init_hooks(void *arg)
{
    khook_t *p;
    KHOOK_FOREACH_HOOK(p) {
        if (!p->target.addr_map) continue;
        khook_arch_sm_init_one(p);
    }
    return 0;
}

核心實現在下面的函數

static inline void khook_arch_sm_init_one(khook_t *hook) {
    khook_stub_t *stub = KHOOK_STUB(hook);
    //E9是相對跳轉。FF是絕對跳轉。
    if (hook->target.addr[0] == (char)0xE9 ||
        hook->target.addr[0] == (char)0xCC) return;

    BUILD_BUG_ON(sizeof(khook_stub_template) > offsetof(khook_stub_t, nbytes));
    memcpy(stub, khook_stub_template, sizeof(khook_stub_template));
    //設置第3步
    stub_fixup(stub->hook, hook->fn);

    //一條相對跳轉指令為5，所以必須保存下至少5個字節的指令
    while (stub->nbytes < 5)
        stub->nbytes += khook_arch_lde_get_length(hook->target.addr + stub->nbytes);

    memcpy(stub->orig, hook->target.addr, stub->nbytes);
    //設置第5步
    x86_put_jmp(stub->orig + stub->nbytes, stub->orig + stub->nbytes, hook->target.addr + stub->nbytes);
    //設置第2步
    x86_put_jmp(hook->target.addr_map, hook->target.addr, stub->hook);
    hook->orig = stub->orig; // the only link from hook to stub
}

可以看到這就是設置stub的內容。

1、先是用khook_stub_template的內容填充stub，這就是stub.inc

2、第3步中stub是需要跳轉到自定義鈎子函數的，stub_fixup填充這個地址

3、保存函數的前一部分內容，這一部分必須大於5個字節

4、設置返回到原函數的地址

5、用跳轉指令覆蓋原函數的內容

然后用到的幾個輔助函數在這里

// place a jump at addr @a from addr @f to addr @t
static inline void x86_put_jmp(void *a, void *f, void *t)
{
    *((char *)(a + 0)) = 0xE9;
    *(( int *)(a + 1)) = (long)(t - (f + 5));
}

//這個數組的內容寫在stub.inc或是stub32.inc中，表示一個stub的模板
static const char khook_stub_template[] = {
# include KHOOK_STUB_FILE_NAME
};

//看stub32.inc中，后部有幾個連續的0xca，從這之后再寫入value，鈎子函數地址
static inline void stub_fixup(void *stub, const void *value) {
    while (*(int *)stub != 0xcacacaca) stub++;
    *(long *)stub = (long)value;
}