linux内核hook技术之函数地址替换

前言

    函数地址替换是一种更为简单、常见的hook方式，比如对security_ops、sys_call_table等结构中的函数进行替换，来完成自己的安全权限控制。

    其中security_ops是LSM框架中所使用的，sys_call_table是系统调用表结构。当然了，这些结构目前在内核中都已经是只读数据结构了，如果想直接进行函数替换的话，首先就是考虑解决关闭写保护的问题。在下面的模块例子中，演示了重置cr0寄存器写保护位 及其 修改内存页表项属性值两种关闭写保护方式，有兴趣的朋友可对照代码进行查阅。

    除此之外，linux内核还提供了一些注册函数，允许直接注册自己的钩子函数来实现各种功能，比如netfilter框架下的注册函数nf_register_hook等。

    接下来以替换sys_call_table中的sys_open为例来写了一个小模块，说明下如何进行函数地址替换以及写保护关闭。该模块已在centos6 系列系统编译并测试过，使用其他系统的朋友可能需要进行一些微调。

    使用insmod装载时，需要加上kallsyms_lookup_name_address参数，eg: insmod   **.ko   kallsyms_lookup_name_address=0x***，其中kallsyms_lookup_name_address的值可通过 cat /proc/kallsyms | grep kallsyms_lookup_name获取。

如何hook

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/kallsyms.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/cpu.h>
#include <linux/stop_machine.h>
#include <asm/unistd_64.h>
#include <asm/cacheflush.h>

#define HOOK_HOOK_TABLE_NAME "sys_call_table"

typedef void (*sys_call_ptr_t)(void);
typedef unsigned long (* kallsyms_lookup_name_t)(const char *name);
typedef long (* hook_sys_open_t)(const char __user *filename, int flags, int mode);

static ulong kallsyms_lookup_name_address;
static kallsyms_lookup_name_t hook_lookup_name;
static ulong g_wpbit_val = 0;
static pgprot_t g_orig_pgprot;

static ulong hook_table_addr;
static ulong orig_sys_open_addr;

/*
 *要替换的钩子函数
 * */
long hook_new_sys_open(const char __user *filename, int flags, int mode)
{
    hook_sys_open_t p_orig;
    p_orig = (hook_sys_open_t)orig_sys_open_addr;

    printk("this is hook body !\n");

    return p_orig(filename, flags, mode);
}

/*
 *通过寄存器关闭写保护
 * */
static void hook_clear_wpbit1(void)
{
    ulong val = read_cr0();
    g_wpbit_val = val;
    val &= 0xfffffffffffeffff;
    write_cr0(val);
}
/*
 * 写保护位恢复函数
 * */
static void hook_recover_wpbit1(void)
{
    write_cr0(g_wpbit_val);
}

/*
 *关闭内存页写保护标记
 * */
static void hook_clear_wpbit2(void)
{
    pte_t *kpte, new_pte, old_pte;
    unsigned int level;
    unsigned long pfn;
    pgprot_t new_prot;
    /*根据线性地址查询页表项地址*/
    kpte = lookup_address(hook_table_addr, &level);
    if (kpte) {
        old_pte = *kpte;
        new_prot = pte_pgprot(old_pte);
        /*根据页表项值获的页表框号*/
        pfn = pte_pfn(old_pte);
        /*保存页表属性值*/
        g_orig_pgprot = new_prot;
        /*修改页表属性值*/
        new_prot.pgprot |= _PAGE_RW;
        /*使用页框号和新的页表属性值合成新的页表项值*/
        new_pte = pfn_pte(pfn, canon_pgprot(new_prot));
        /*发生变化,重新设置页表项值*/
        if (pte_val(old_pte) != pte_val(new_pte)) {
            set_pte_atomic(kpte, new_pte);
        }
    }
}

/*
 *恢复内存页写保护标记
 * */
static void hook_recover_wpbit2(void)
{
    pte_t *kpte, new_pte, old_pte;
    unsigned int level;
    unsigned long pfn;
    /*根据线性地址查询页表项地址*/
    kpte = lookup_address(hook_table_addr, &level);
    if (kpte) {
        old_pte = *kpte;
        pfn = pte_pfn(old_pte);
        new_pte = pfn_pte(pfn, canon_pgprot(g_orig_pgprot));

        if (pte_val(old_pte) != pte_val(new_pte)) {
            /*发生变化,恢复原有页表项值*/
            set_pte_atomic(kpte, new_pte);
        }
    }
}

/*
 *钩子函数注入的地方
 *此处通过对系统调用表,进行函数地址替换
 * */
static int hook_do_hijack1(void *arg)
{
    sys_call_ptr_t *p_call = (sys_call_ptr_t *)hook_table_addr;
    orig_sys_open_addr = (ulong)p_call[__NR_open];
    /*
     *进行函数地址替换
     * */
    hook_clear_wpbit1();
    p_call[__NR_open] = (sys_call_ptr_t)hook_new_sys_open;
    hook_recover_wpbit1();

    return 0;
}
static int hook_do_hijack2(void *arg)
{
    sys_call_ptr_t *p_call = (sys_call_ptr_t *)hook_table_addr;
    orig_sys_open_addr = (ulong)p_call[__NR_open];
    /*
     *进行函数地址替换
     * */
    hook_clear_wpbit2();
    p_call[__NR_open] = (sys_call_ptr_t)hook_new_sys_open;
    hook_recover_wpbit2();

    return 0;
}


static int hook_recover_hijack1(void *arg)
{
    sys_call_ptr_t *p_call = (sys_call_ptr_t *)hook_table_addr;
    /*
     *进行函数地址恢复
     * */
    hook_clear_wpbit1();
    p_call[__NR_open] = (sys_call_ptr_t)orig_sys_open_addr;
    hook_recover_wpbit1();

    return 0;
}

static int hook_recover_hijack2(void *arg)
{
    sys_call_ptr_t *p_call = (sys_call_ptr_t *)hook_table_addr;
    /*
     *进行函数地址恢复
     * */
    hook_clear_wpbit2();
    p_call[__NR_open] = (sys_call_ptr_t)orig_sys_open_addr;
    hook_recover_wpbit2();

    return 0;
}

static int hook0_init(void)
{
    /*
     * kallsyms_lookup_name函数的地址,
     *在insmod装载时由参数kallsyms_lookup_name_address传递
     */
    hook_lookup_name = (kallsyms_lookup_name_t)kallsyms_lookup_name_address;
    /*
     * 查找将要劫持的函数地址,此处使用内核提供的kallsyms_lookup_name函数
     */
    hook_table_addr = (ulong)hook_lookup_name(HOOK_HOOK_TABLE_NAME);
    /*
     *使用设置寄存器wp写保护位的方式来放开写保护,进行只读区域的hook
     * */
    stop_machine(hook_do_hijack1, NULL, 0);
    /*
     * 设置页表项中的可写位(第1位writeable),来进行只读区域的hook
     * 两种方法都可行
     * */
    //stop_machine(hook_do_hijack2, NULL, 0);

    return 0;
}

static void hook0_exit(void)
{
    /*
     *使用设置寄存器wp写保护位的方式来放开写保护,进行只读区域的hook
     * */
    stop_machine(hook_recover_hijack1, NULL, 0);
    /*
     * 设置页表项中的可写位(第1位writeable),来进行只读区域的hook
     * 两种方法都可行
     * */
    //stop_machine(hook_recover_hijack2, NULL, 0);
}

module_init(hook0_init);
module_exit(hook0_exit);
module_param(kallsyms_lookup_name_address, ulong, 0644);
MODULE_LICENSE("GPL");

一些思考

•  推荐使用设置cr0寄存器的方式来关闭写保护功能。
• 在arm等体系架构中，没有cr0寄存器的情况下，可以尝试使用重置页表属性值中的可写位来完成。上述模块中，已经通过该方式成功将sys_call_table写入。不过该方法未必是万能的，还是需要根据具体的hook位置来做进一步尝试。