on November 26, 2017

clone systemcallをフックする

概要

Linux でシステムコールをフックする手法はいくつかあります．例えば，syscall 命令によって参照される MSR レジスタの値を書き換えたり，システムコールテーブルを書き換えるのが代表的です．前者の手法は前のエントリで紹介しました．今回は，後者のシステムコールテーブルを書き換える手法で，clone システムコールをフックしようとした時にハマったポイントを書きます．

環境

ホスト OS: Ubuntu16.04 64bit
アーキテクチャ: x86-64

sys_call_table の書き換え

システムコールをフックするには，以下のようにsys_call_tableの特定のエントリの値を書き換えます．

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//readシステムコールをフックする例

sys_call_table[__NR_read] = (uint64_t) fake_sys_read;

clone システムコールをフックする場合も上記と同じように， sys_call_table[__NR_clone]の値を fake_sys_clone に書き換えると、ユーザ空間で SIGSEGV の嵐でシステムがクラッシュしました（新たにプロセスを生成できなくなった）．
結論から言うと，sys_call_table[__NR__clone]の値は，clone システムコールの実態であるsys_cloneではなく，stub_cloneです．このstub_clone内でsys_cloneが呼び出される実装です． clone の他にも，fork，execve などのプロセスの生成に関わる特別なシステムコールは，スタブを経由して呼び出されます．よって，横取りしてやるには，このスタブを考慮してシステムコールをフックする必要があります．

嵌りそうなポイントは以下の 3 つ

clone システムコールをフックするにあたって，スタブの考慮だけでなく，他にもハマりそうなポイントがあるので以下にまとめた．

Kernel3 系と 4 系で，sys_cloneのプロトタイプが異なる．
Kernel4 系でも，CONFIG によってプロトタイプが異なる（kernel/fork.c）．
- /boot/config-4.4.0-21-generic で CONFIG を確認可能
sys_call_table[_NR_clone]の値は，sys_cloneではなく，stub_clone．

3.の該当コードは以下の通りです．

arch/x86/entry/entry_64.S にstub_clone ==> sys_clone呼び出しを行うマクロがある (1)
arch/x86/entry/calling.h にSAVE_EXTRA_REGSマクロがある (2)
arch/x86/entry/entry_64.S にsys_call_tableからシステムコールを呼び出すエントリポイントENTRY(entry_SYSCALL_64)がある (3)
- コメントに bp, bx, r12-15 not saved とあり，sub して領域を確保するだけで，レジスタの退避を行なっていない

（２）の stub 処理では，（３）で退避されなかったレジスタの退避を行なっている．特に，ENTRY(entry_SYSCALL_64)で作られたスタックを破壊しないように，必要な処理だけをし，jmp 命令で，システムコール本体に処理を移している．

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(1)

	.macro FORK_LIKE func
ENTRY(stub_\func)
	SAVE_EXTRA_REGS 8
	jmp     sys_\func
END(stub_\func)
 	.endm

	FORK_LIKE  clone
	FORK_LIKE  fork
	FORK_LIKE  vfork

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(2)

	.macro SAVE_EXTRA_REGS offset=0
	movq %r15, 0*8+\offset(%rsp)
	movq %r14, 1*8+\offset(%rsp)
	movq %r13, 2*8+\offset(%rsp)
	movq %r12, 3*8+\offset(%rsp)
	movq %rbp, 4*8+\offset(%rsp)
	movq %rbx, 5*8+\offset(%rsp)
	.endm

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(3)
(snip)
GLOBAL(entry_SYSCALL_64_after_swapgs)

        movq    %rsp, PER_CPU_VAR(rsp_scratch)
        movq    PER_CPU_VAR(cpu_current_top_of_stack), %rsp

        /* Construct struct pt_regs on stack */
        pushq   $__USER_DS                      /* pt_regs->ss */
        pushq   PER_CPU_VAR(rsp_scratch)        /* pt_regs->sp */
        /*
         * Re-enable interrupts.
         * We use 'rsp_scratch' as a scratch space, hence irq-off block above
         * must execute atomically in the face of possible interrupt-driven
         * task preemption. We must enable interrupts only after we're done
         * with using rsp_scratch:
         */
        ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)
        pushq   %r11                            /* pt_regs->flags */
        pushq   $__USER_CS                      /* pt_regs->cs */
        pushq   %rcx                            /* pt_regs->ip */
        pushq   %rax                            /* pt_regs->orig_ax */
        pushq   %rdi                            /* pt_regs->di */
        pushq   %rsi                            /* pt_regs->si */
        pushq   %rdx                            /* pt_regs->dx */
        pushq   %rcx                            /* pt_regs->cx */
        pushq   $-ENOSYS                        /* pt_regs->ax */
        pushq   %r8                             /* pt_regs->r8 */
        pushq   %r9                             /* pt_regs->r9 */
        pushq   %r10                            /* pt_regs->r10 */
        pushq   %r11                            /* pt_regs->r11 */
        sub     $(6*8), %rsp                    /* pt_regs->bp, bx, r12-15 not saved */

        testl   $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY, ASM_THREAD_INFO(TI_flags, %rsp, SIZEOF_PTREGS)
        jnz     tracesys
entry_SYSCALL_64_fastpath:
#if __SYSCALL_MASK == ~0
        cmpq    $__NR_syscall_max, %rax
#else
        andl    $__SYSCALL_MASK, %eax
        cmpl    $__NR_syscall_max, %eax
#endif
        ja      1f                              /* return -ENOSYS (already in pt_regs->ax) */
        movq    %r10, %rcx
        call    *sys_call_table(, %rax, 8)
        movq    %rax, RAX(%rsp)
(snip)

その他、
movq %r10, %rcxでシステムコールにおける第 4 引数レジスタの r10 を，関数呼び出しにおける第４引数レジスタの rcx に代入している．つまり，システムコール呼び出しを関数呼び出しに変換している．

解決策

stub_cloneからsys_cloneが呼ばれる実装なので，sys_call_table[__NR_clone]のstub_cloneの値をfake_sys_cloneにしてはいけない（正規のスタックレイアウトにならないので）．そこで，sys_call_table[__NR_clone]のstub_cloneの値をfake_stub_cloneに設定し，fake_stub_cloneから，fake_sys_cloneを呼び出すようにする．
他にも，fork 系や，execve にスタブがあるので，ABI に注意が必要．ただし，fork，vfork は，引数がないので，sys_call_table[__NR_(v)fork]のstub_(v)forkの値をfake_sys_(v)forkに変更しても，問題ないと考えられる．

まとめ

clone システムコールなどでは，rbx - r15 が重要．

参考: x64 の引数

system call

rax にシステムコール番号を設定
第 1 引数を rdi に設定
第 2 引数を rsi に設定
第 3 引数を rdx に設定
第 4 引数を r10 に設定
第 5 引数を r8 に設定
第 6 引数を r9 に設定
システムコール命令( syscall ) を実行

なお，rax に戻り値が保存され，rcx と r11 の値は破壊される可能性がある．

関数呼び出し

第 1 引数を rdi に設定
第 2 引数を rsi に設定
第 3 引数を rdx に設定
第 4 引数を rcx に設定
第 5 引数を r8 に設定
第 6 引数を r9 に設定

system call とは，第４引数が異なる．また，これ以上の引数は，スタックにつむ．戻り値は rax に保存される

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