Fantasy Ptrace
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Project 1: Fantasy Ptrace

概述

ptrace是process和trace的简写,直译为进程跟踪。它提供了一种使父进程得以监视和控制其子进程的方式,它还能够改变子进程中的寄存器和内核映像,因而可以实现系统调用的跟踪和断点调试。

Deadline

3.28日下午18:00

另外

可以顺便在右上角面帮咱点个Star哦~

使用方法

64位 Ubuntu

妥。可以直接运行

64位 MAC OSX

不妥。解决方案:

1. 虚拟机

2. 悄悄使用本可爱的助教实验室的服务器

使用ssh链接到服务器,密码是system2018

[注意]

禁止查看和编辑服务器上别人的代码

跑完后记得清理掉自己的代码哦rm -r ~/system/Yourname

密码不要外传

不要运行project1以外的程序

ssh jinning@anl.sjtu.edu.cn
mkdir ~/system/Yourname

然后exit回到本机 传送你的文件到服务器上的文件夹

scp -r YourFilePath jinning@anl.sjtu.edu.cn:~/system/Yourname

然后连接到服务器上开始玩耍

ssh jinning@anl.sjtu.edu.cn
cd ~/system/Yourname

64位 Windows

不妥。解决方案:

1. 虚拟机

  • 自己找找看安装包哦 paralells 或 VMWare

2. 悄悄使用本可爱的助教实验室的服务器

  • 想法子用一些windows的软件ssh连接上去玩耍,和 上面的64位 MAC OSX 2. 步骤一样。 例如可以使用putty: https://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/putty/latest.html
    putty -ssh jinning@anl.sjtu.edu.cn
    mkdir ~/system/Yourname
    
    以及
    pscp -r YourFilePath jinning@anl.sjtu.edu.cn:~/system/Yourname
    

32位机器

不妥。请想办法使用本可爱的助教实验室的服务器,或者把代码改写成32位机子能运行的代码。

Task 1 输出反转

准备知识

进程

程序是一个静态的概念,它只是一些预先编译好的指令和数据集合的一个文件;而进程是一个动态的概念,它是程序运行时的一个过程。

创建进程

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

// 返回值:子进程返回0,父进程返回子进程ID,出错返回-1

fork函数被调用一次,却能够返回两次,它可能有三种不同的返回值:

  • 在父进程中,fork返回新创建子进程的进程ID;
  • 在子进程中,fork返回0;
  • 如果出现错误,fork返回-1;

在fork函数执行完毕后,如果创建新进程成功,则出现两个进程,一个是子进程,一个是父进程。可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。

系统调用

在现代的操作系统里,程序运行的时候,本身是没有权利访问多少系统资源的。由于系统有限的资源有可能被多个不同的应用程序同时访问,因此,如果不加以保护,那么各个应用程序难免产生冲突。所以现代操作系统都将可能产生冲突的系统资源给保护起来,阻止应用程序直接访问。这些资源包括文件、网络、IO、各种设备等。 每个操作系统都会提供一套接口,来封装对系统资源的调用,这套接口就是系统调用。

操作系统把进程空间分为了用户空间和内核空间,系统调用是运行在内核空间的,而应用程序基本都是运行在用户空间的。应用程序想要访问系统资源,就必须通过系统调用。用户空间的应用程序要想调用内核空间的系统调用,就需要从用户空间切换到内核空间,这一般是通过中断来实现的。什么是中断呢?中断是一个硬件或者软件发出的请求,要求CPU暂停当前的工作转手去处理更加重要的事情。中断一般具有两个属性,中断号和中断处理程序。在内核中,有一个叫做中断向量表的数组来存放中断号和中断处理程序。当中断到来的时候,CPU会根据中断号找到对应的中断处理程序,并调用它。中断处理程序执行完成后,CPU会继续执行之前的代码。

通常意义上,中断有两种类型,一种称为硬件中断,这种中断来自于硬件的异常或其他事件的发生;另一种称为软件中断,软件中断通常是一条指令(i386下是int),带有一个参数记录中断号。linux系统使用int 0x80来触发所有的系统调用,和中断一样,系统调用带有一个系统调用号,这个系统调用就像身份标识一样来表明是哪一个系统调用。32位下,这个系统调用号会放在eax寄存器中。64位下,这个系统调用号会放在rax寄存器中。

系统调用号表:http://blog.csdn.net/sinat_26227857/article/details/44244433

32位下如果系统调用有一个参数,那么参数通过ebx寄存器传入,x86下linux支持的系统调用参数至多有6个,分别使用6个寄存器来传递,它们分别是ebx、ecx、edx、esi、edi和ebp。64位下略有不同。

例如对于write调用,ebx(64位为rdi)存放的是fd; ecx(64位为rsi)存放的是字符串数据的地址; edx(64位为rdx)存放的是字符串长度。

触发系统调用后,CPU首先需要切换堆栈,当程序的当前栈从用户态切换到内核态后,会找到系统调用号对应的调用函数,它们都是以"sys_"开头的,当执行完调用函数后,返回值会存放在eax(rax)寄存器返回到用户态。

信号

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟,它是一种进程间异步通信的机制。

一个进程要发信号给另一个进程,可以使用这些函数:kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()。它其实是通过系统调用把信号先发给内核。当另一个进程从内核态回用户态的时候,它会先去找一下有没有发给自己的信号,如果有,就处理掉。

进程可以通过三种方式来响应一个信号:

  • 忽略信号,即对信号不做任何处理;
  • 捕捉信号。通过signal()定义信号处理函数,当信号发生时,执行相应的处理函数;
  • 执行缺省操作,Linux对每种信号都规定了默认操作。

ptrace函数

函数原型如下:

#include <sys/ptrace.h>
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);

ptrace有四个参数:

  • enum __ptrace_request request:指示了ptrace要执行的命令。
  • pid_t pid: 指示ptrace要跟踪的进程。
  • void *addr: 指示要监控的内存地址。
  • void *data: 存放读取出的或者要写入的数据。 request参数决定了ptrace的具体功能:

1.PTRACE_TRACEME ptrace(PTRACE_TRACEME,0 ,0 ,0) 描述:子进程使用,使得本进程被其父进程所跟踪。

2.PTRACE_PEEKTEXT, PTRACE_PEEKDATA ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, addr, data) 描述:从内存地址中读取一个字,数据由函数返回,pid表示被跟踪的子进程,内存地址由addr给出,data参数被忽略。

3.PTRACE_POKETEXT, PTRACE_POKEDATA ptrace(PTRACE_POKEDATA, pid, addr, data) 描述:往内存地址中写入一个字。pid表示被跟踪的子进程,内存地址由addr给出,data为所要被写入的数据。

4.PTRACE_PEEKUSER ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, addr, data) 描述:从USER区域中读取一个字节,pid表示被跟踪的子进程,addr表示读取数据在USER区域的偏移量,返回值为函数返回值,data参数被忽略。

5.PTRACE_POKEUSER ptrace(PTRACE_POKEUSER, pid, addr, data) 描述:往USER区域中写入一个字节,pid表示被跟踪的子进程,USER区域地址由addr给出,data为需写入的数据。

6.PTRACE_CONT ptrace(PTRACE_CONT, pid, 0, signal) 描述:继续执行。pid表示被跟踪的子进程,signal为0则忽略引起调试进程中止的信号,若不为0则继续处理信号signal。

7.PTRACE_SYSCALL ptrace(PTRACE_SYSCALL, pid, 0, signal) 描述:继续执行。pid表示被跟踪的子进程,signal为0则忽略引起调试进程中止的信号,若不为0则继续处理信号signal。与PTRACE_CONT不同的是进行系统调用跟踪。在被跟踪进程继续运行直到调用系统调用开始或结束时,被跟踪进程被中止,并通知父进程。

8.PTRACE_KILL ptrace(PTRACE_KILL,pid) 描述:杀掉子进程,使它退出。pid表示被跟踪的子进程。

9.PTRACE_SINGLESTEP ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, pid, 0, signal) 描述:设置单步执行标志,单步执行一条指令。pid表示被跟踪的子进程。signal为0则忽略引起调试进程中止的信号,若不为0则继续处理信号signal。当被跟踪进程单步执行完一个指令后,被跟踪进程被中止,并通知父进程。

10.PTRACE_ATTACH ptrace(PTRACE_ATTACH, pid) 描述:跟踪指定pid 进程。pid表示被跟踪进程。被跟踪进程将成为当前进程的子进程,并进入中止状态。

11.PTRACE_DETACH ptrace(PTRACE_DETACH, pid) 描述:结束跟踪。 pid表示被跟踪的子进程。结束跟踪后被跟踪进程将继续执行。

12.PTRACE_GETREGS ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, 0, data) 描述:读取寄存器值,pid表示被跟踪的子进程,data为用户变量地址用于返回读到的数据。

13.PTRACE_SETREGS ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, 0, data) 描述:设置寄存器值,pid表示被跟踪的子进程,data为用户数据地址。

更多详细的信息可以参考linux下man手册: http://linux.die.net/man/2/ptrace

Task 1

fantasy.c是一个简单的打印字符串的程序:

#include "stdio.h"

int main()
{
    printf("Oh, Fantasy!\n");
    return 0;
}

它将打印出 Oh, Fantasy!\n

现在你要做的是按照文件中的提示补全reverse.c中的代码(有TODO的地方),使得reverse.c在通过ptrace追踪fantasy.c时,一旦检测到fantasy.c调用了 SYS_write 系统调用的时候,通过修改系统调用的参数把write要输出的字符串反转,即\n!ysatnaF ,hO,再进行系统调用。当然,你也可以不按照reverse.c的模版来写,自由发挥是资瓷的。

补全好以后运行的步骤是先编译fantasy.c

gcc fantasy.c -o fantasy

然后在同一目录下编译运行reverse.c:

gcc reverse.c -o reverse
./reverse

Task 2 单步调试

准备知识

GDB调试工具

GDB是GNU开源组织发布的一个强大的UNIX下的程序调试工具。一般来说,GDB主要帮忙你完成下面四个方面的功能:

  • 启动你的程序,可以按照你的自定义的要求随心所欲的运行程序。
  • 可让被调试的程序在你所指定的调置的断点处停住。
  • 当程序被停住时,可以检查此时你的程序中所发生的事。
  • 动态的改变你程序的执行环境。

Task 2

可爱的助教当然不会让你手写GDB啦。你只需要写一个简单的调试工具,可以跟踪程序执行,监控程序每一条指令的运行,并输出当前指令、指令的值、EAX EBX ECX EDX 寄存器的状态。原理是通过PTRACE_PEEKUSER 和 PTRACE_GETREGS来访问寄存器,用PTRACE_PEEKTEXT来访问内存,通过PTRACE_SINGLESTEP来实现单步调试。

interesting.s 是要被调试的汇编程序,他的功能是先打印Oh, \n,然后打印interesting!\n。你可以打开它来看看有哪些代码。

step.c是不完整的单步调试工具的代码。你要做的是根据step.c中的要求将其补充完整,然后进行测试。step.c的一个输入参数argv是要被调试的程序路径。当然,你也可以不按照step.c的模版来写,自由发挥是资瓷的。

补充完整以后,首先编译一下interesting.s:

as interesting.s -o interesting.o
ld -o interesting interesting.o

然后编译一下step.c:

gcc step.c -o step

然后使用step来单步调试interesting:

./step interesting

这时应该会输出这样的结果:

[1] RIP = 0x00000000004000b0, Instruction = 0x00000000000004b8
EAX: 0x00000000 EBX: 0x00000000
ECX: 0x00000000 EDX: 0x00000000
Press any key to continue...
......

然后就一直按回车就行啦,可以观察到这个过程中四个寄存器的变化,看看和interesting.s中的是不是对应了呢:

...
movl $4, %eax
movl $1, %ebx
movl $s1, %ecx
movl $5, %edx
int $0x80
...

然后可以运行:

objdump -d interesting

来检查 RIPInstruction 输出的是不是正确。只要对比末位是不是一样就行了,因为X86-64是CISC,指令的长度不确定,而我们固定只取64位,超出指令的部分可能会是其他指令。

尝试设置断点

为了让大家减轻负担,这部分不用提交。不需要你写代码,只要看看代码,跑一跑,体验一下就行了。断点的代码位于Task2文件夹里

通过int 3指令在调试器中设定断点

要在被调试进程中的某个目标地址上设定一个断点,调试器需要做下面两件事情:

  • 保存目标地址上的数据
  • 目标地址上的第一个字节替换为int 3指令(0xcc)

然后,当调试器向操作系统请求开始运行进程时,进程最终一定会碰到int 3指令。此时进程停止,操作系统将发送一个信号。这时就是调试器再次出马的时候了,接收到一个其子进程(或被跟踪进程)停止的信号,然后调试器要做下面几件事:

  • 在目标地址上用原来的指令替换掉int 3

  • 将被跟踪进程中的指令指针向后递减1。这么做是必须的,因为现在指令指针指向的是已经执行过的int 3之后的下一条指令。

  • 由于进程此时仍然是停止的,用户可以同被调试进程进行某种形式的交互。这里调试器可以让你查看变量的值,检查调用栈等等。

  • 当用户希望进程继续运行时,调试器负责将断点再次加到目标地址上(由于在第一步中断点已经被移除了),除非用户希望取消断点。

运行方法

  1. 编译breakpoint.cinteresting.s
gcc breakpoint.c -o breakpoint
as interesting.s -o interesting.o
ld -o interesting interesting.o
  1. 使用objdump -d interesting来查看汇编指令对应的指令地址,看看你想在哪停下来。输出可能长这样
interesting:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .text:

00000000004000b0 <_start>:
  4000b0:	b8 04 00 00 00       	mov    $0x4,%eax
  4000b5:	bb 01 00 00 00       	mov    $0x1,%ebx
  4000ba:	b9 e3 00 60 00       	mov    $0x6000e3,%ecx
  4000bf:	ba 05 00 00 00       	mov    $0x5,%edx
  4000c4:	cd 80                	int    $0x80
  4000c6:	b8 04 00 00 00       	mov    $0x4,%eax
  4000cb:	bb 01 00 00 00       	mov    $0x1,%ebx
  4000d0:	b9 e9 00 60 00       	mov    $0x6000e9,%ecx
  4000d5:	ba 0d 00 00 00       	mov    $0xd,%edx
  4000da:	cd 80                	int    $0x80
  4000dc:	b8 01 00 00 00       	mov    $0x1,%eax
  4000e1:	cd 80                	int    $0x80

比如我想要在指令地址为0x4000c6的地方设置断点,也就是第一次系统调用(int $0x80)执行完后。那么运行:

./breakpoint interesting 0x4000c6

然后就可以看到进程在0x4000c6停下了:

target started. will run 'interesting'
Child started. EIP = 0x004000b0
Original data at 0x004000c6: 0x000004b8
After trap, data at 0x004000c6: 0x000004cc
Oh,
Child got a signal: Trace/breakpoint trap
Child stopped at EIP = 0x004000c6

interesting!
Child exited

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把改好的project1整个文件夹压缩成学号-姓名-project1.zip发送到137645534@qq.com,邮件名学号-姓名-project1.

加油!

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