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Linux Ptrace 详解

2017年03月05日 18:59:58

阅读数：6331

一、系统调用

操作系统提供一系列系统调用函数来为应用程序提供服务。关于系统调用的详细相关知识，可以查看<<程序员的自我修养》第十二章。
对于x86操作系统来说，用中断命令“int 0x80”来进行系统调用，系统调用前，需要将系统调用号放入到%EAX寄存器中，将系统的参数依次放入到寄存器%ebx、%ecx、%edx以及%esi和%edi中。

以write系统调用为例：

write(2,"Hello",5);

在32位系统中会转换成：

movl $1,%eax

movl $2,%ebx

movl $hello,%ecx

movl $5,%edx

int $0x80

其中1为write的系统调用号，所有的系统调用号定义在unistd.h文件中，$hello 表示字符串“Hello”的地址；32位Linux系统通过0x80中断来进行系统调用。

64位系统用户应用层用整数寄存器%rdi ,%rsi,%rdx,%rcx, %r8以及 %r9来传参。而内核接口用%rdi ,%rsi,%rdx,%r10,&r8以及%r10来传参，并且用syscall指令而不是80中断进行系统调用。
x86和x64都用寄存器rax来保存调用号和返回值。

二、ptrace 函数简介

#include <sys/ptrace.h>

long ptrace（enum _ptrace_request request,pid_t pid,void * addr ,void *data）;

ptrace()系统调用函数提供了一个进程（the “tracer”）监察和控制另一个进程（the “tracee”）的方法。并且可以检查和改变“tracee”进程的内存和寄存器里的数据。它可以用来实现断点调试和系统调用跟踪。

tracee首先需要被附着到tracer。在多线程进程中，每个线程都可以被附着到一个tracer。ptrace命令总是以ptrace(PTARCE_foo,pid,..)的形式发送到tracee进程。pid是tracee线程ID。

当一个进程可以开始跟踪进程通过调用fork函数创建子进程并让子进程执行PTRACE_TRACEME,然后子进程再调用execve()（如果当前进程被ptrace,execve()成功执行后 SIGTRAP信号量会被发送到该进程）。一个进程也可以使用”PTRACE_ATTACH”或者”PTRACE_SEIZE”来跟踪另一个进程。

当进程被跟踪后，每当信号量传来，甚至信号量会被忽略时，tracee会暂停。tracer会在下次调用waitpid（wstatus）(或者其它wait系统调用)处被通知。该调用会返回一个包含tracee暂停原因信息的状态码。当tracee暂停后，tracer可以使用一系列ptrace请求来查看和修改tracee中的信息。tracer接着可以让tracee继续执行。tracee传递给tracer中的信号量通常被忽略。
当PTRACE_O_TRACEEXEC项未起作用时，所有成功执行execve()的tracee进程会被发送一个 SIGTRAP信号量后暂停，在新程序执行之前，父进程将会取得该进程的控制权。

当tracer结束跟踪后，可以通过调用PTRACE_DETACH继续让tracee执行。

prace更多相关信息可以查看http://man7.org/linux/man-pages/man2/ptrace.2.html官方文档。

三、示例

1.ptrace追踪子进程执行exec()

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/ptrace.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

#include <sys/reg.h>   /* For constants ORIG_RAX etc */

int main(){

   pid_t child;

   long orig_rax;

   child=fork();

   if(child==0){

      ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);

      execl("/bin/ls","ls",NULL);

   }else{

        wait(NULL);

        orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);

        printf("The child made a system call %ld\n",orig_rax);

        ptrace(PTRACE_CONT,child,NULL,NULL);

   }

}

编译后输出：

The child made a system call 59

user1@user-virtual-machine:~/hookTest$ a.out    attach.c~  ex1.c   ex1.o  ex2.c~  ex3.c   ex3.o  ex4.c~    victim.c~

attach.c  attach.o   ex1.c~  ex2.c  ex2.o   ex3.c~  ex4.c  victim.c  victim.o

execl()函数对应的系统调用为__NR_execve，系统调用值为59。父进程通过调用fork()来创建子进程。在子进程中，先运行patrce().请求参数设为PTRACE_TRACE,来告诉内核当前进程被父进程trace，每当有信号量传递到当前进程，该进程会暂停，提醒父进程在wait()调用处继续执行。然后再调用execl()。当execl()函数成功执行后，新程序运行之前，SIGTRAP信号量会被发送到该进程，让子进程停止，这时父进程会在wait相关调用处被通知，获取子进程的控制权，可以查看子进程内存和寄存器相关信息。

当进程进行系统调用时，int会在内核栈中依次压入用户态的寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP.中断处理程序的SAVE_ALL宏会将依次将EAX、EBP、EDI、ESI、EDX、ECX、EBX寄存器值压入内核栈。调用ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL) 获取USER area信息时<sys/reg.h>文件定义了与内核栈寄存器数组顺序相同的下标：



#ifndef _SYS_REG_H

#define _SYS_REG_H  1

#ifdef __x86_64__

/* Index into an array of 8 byte longs returned from ptrace for

   location of the users' stored general purpose registers.  */

# define R15    0

# define R14    1

# define R13    2

# define R12    3

# define RBP    4

# define RBX    5

# define R11    6

# define R10    7

# define R9 8

# define R8 9

# define RAX    10

# define RCX    11

# define RDX    12

# define RSI    13

# define RDI    14

# define ORIG_RAX 15

# define RIP    16

# define CS 17

# define EFLAGS 18

# define RSP    19

# define SS 20

# define FS_BASE 21

# define GS_BASE 22

# define DS 23

# define ES 24

# define FS 25

# define GS 26

#else

/* Index into an array of 4 byte integers returned from ptrace for

 * location of the users' stored general purpose registers. */

# define EBX 0

# define ECX 1

# define EDX 2

# define ESI 3

# define EDI 4

# define EBP 5

# define EAX 6

# define DS 7

# define ES 8

# define FS 9

# define GS 10

# define ORIG_EAX 11

# define EIP 12

# define CS  13

# define EFL 14

# define UESP 15

# define SS   16

#endif

这样8*ORIG_RAX就找到USER area 中 ORIG_RAX 寄存器值的保存地址。ORIG_RAX保存了系统调用号。

当检查完系统调用之后，可以调用ptrace并设置参数PTRACE_CONT让子进程继续进行。

2.读取子进程系统调用参数

//64位下乌班图程序

#include <sys/ptrace.h>

#include <sys/wait.h>

#include <sys/reg.h>

#include <sys/user.h>

#include <sys/syscall.h>

#include <stdio.h>

int main(){

    pid_t child;

    long orig_rax;

    int status;

    int iscalling=0;

    struct user_regs_struct regs;

    child = fork();

        if(child==0){

          ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);

      execl("/bin/ls","ls","-l","-h",NULL);

    }else{

          while(1){

        wait(&status);

                if(WIFEXITED(status))

                    break;

                orig_rax=ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);

                if(orig_rax == SYS_write){

                    ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,&regs);

            if(!iscalling){

                iscalling =1;

                printf("SYS_write call with %lld, %lld, %lld\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx);

                        } else{

                               printf("SYS_write call return %lld\n",regs.rax);

                               iscalling = 0;

                        }                                  

                }

            ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);

          }

       }

          return 0;

}

编译后输出：

SYS_write call with 1, 140179049189376, 14

总用量 28K

SYS_write call return 14

SYS_write call with 1, 140179049189376, 51

-rw-rw-r-- 1 user1 user1  534  2月 26 18:02 ex1.c

SYS_write call return 51

SYS_write call with 1, 140179049189376, 52

-rw-rw-r-- 1 user1 user1  534  2月 26 18:02 ex1.c~

SYS_write call return 52

SYS_write call with 1, 140179049189376, 53

-rw-rw-r-- 1 user1 user1 1.1K  3月  2 13:02 hook2.c

SYS_write call return 53

SYS_write call with 1, 140179049189376, 54

-rw-rw-r-- 1 user1 user1 1.1K  3月  2 13:02 hook2.c~

SYS_write call return 54

SYS_write call with 1, 140179049189376, 53

-rwxrwxr-x 1 user1 user1 8.6K  3月  2 13:02 hook2.o

SYS_write call return 53

可以看到ls -l -h 执行了六次SYS_write系统调用。
读取寄存器中的参数时，可以使用PTRACE_PEEKUSER一个字一个字读取，也可以使用PTRACE_GETREGS参数直接将寄存器的值读取到结构体user_regs_struct 中，该结构体定义在sys/user.h中

对于PTRACE_STSCALL参数，该参数会像PTRACE_CONT一样使暂停的子进程继续执行，并在子进程下次进行系统调用前或系统调后，向子进程发送SINTRAP信号量，让子进程暂停。

WIFEXITED函数(宏)函数用来检查子进程是暂停还准备退出。

3.修改子进程系统调用参数

val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr,NULL)

PTRACE_PEEKDATA、PTRACE_PEEKTEXT参数是在tracee内存的addr地址处读取一个字（sizeof(long））的数据，反回值是long 型的，可多次读取addr
+i*sizeof(long)然后再合并得到最终字符串的内容。

现在，我们对系统调用write 输出的字符串参数进行反转：

#include <sys/ptrace.h>

#include <sys/wait.h>

#include <sys/reg.h>

#include <sys/syscall.h>

#include <sys/user.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <errno.h>

#include <stdlib.h>

#define long_size sizeof(long)

void reverse(char * str)

{

    int i,j;

    char temp;

    for(i=0,j=strlen(str)-2;i<=j;++i,--j){

          temp=str[i];

          str[i]=str[j];

          str[j]=temp;

    }

}

void getdata(pid_t child,long addr,char * str,int len){

  char * laddr;

  int i,j;

  union u{

    long val;

        char chars[long_size];

  } data;

  i=0;

  j=len/long_size;

  laddr=str;

  while(i<j){

   data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr+i*long_size,NULL);

   if(data.val == -1){

     if(errno){

        printf("READ error: %s\n",strerror(errno));

     }

   }

     memcpy(laddr,data.chars,long_size);

     ++i;

     laddr +=long_size;

  };

  j=len % long_size;

  if(j!=0){

     data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr+i*long_size,NULL);

     memcpy(laddr,data.chars,j);

  }

   str[len]='\0';

}

void putdata(pid_t child,long addr,char * str,int len){

    char * laddr;

        int i,j;

        union u{

          long val;

          char chars[long_size];

       } data;

       i=0;

       j=len /long_size;

       laddr=str;

       while(i<j){

           memcpy(data.chars,laddr,long_size);

           ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr +i*long_size,data.val);

           ++i;

           laddr+=long_size;

     }

     j=len%long_size;

     if(j!=0){

           //注意：由于写入时也是按字写入的，所以正确的做法是先将该字的高地址数据读出保存在data的高地址上 ，然后将该字再写入

           memcpy(data.chars,laddr,j);

           ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr +i*long_size,data.val);

     }

}

int main(){

    pid_t child;

        int status;

        struct user_regs_struct regs;

        child =fork();

        if(child ==0){

          ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);

          execl("/bin/ls","ls",NULL);

       }else{

           long orig_eax;

           char *str,*laddr;

           int toggle =0;

           while(1){

             wait(&status);

             if(WIFEXITED(status))

                 break;

             orig_eax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);

             if(orig_eax == SYS_write){

               if(toggle == 0){

                  toggle =1;

                 ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,&regs);

                 str=(char * )calloc((regs.rdx+1),sizeof(char));

                 getdata(child,regs.rsi,str,regs.rdx);

                 reverse(str);

                 putdata(child,regs.rsi,str,regs.rdx);

              }else{

              toggle =0;

               }

            }

         ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);

          }

       }

      return 0;

}

输出：

user1@user-virtual-machine:~/hookTest$ ./hook3.o

o.3kooh  ~c.3kooh  c.3kooh  o.2kooh  ~c.2kooh c.2kooh  ~c.1xe  c.1xe

4.向其它程序注入指令

我们追踪其它独立运行的进程时，需要使用下面的命令：

ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL)

使pid进程成为被追踪的tracee进程。tracee进程会被发送一个SIGTOP信号量，tracee进程不会立即停止，直到完成本次系统调用。如果要结束追踪，则调用PTRACE_DETACH即可。

debug 设置断点的功能可以通过ptrace实现。原理是ATTACH正在运行的进程使其停止。然后读取该进程的指令寄存器IR（32位x86为EIP,64w的是RIP）内容所指向的指令，备份后替换成目标指令，再使其继续执行，此时被追踪进程就会执行我们替换的指令，运行完注入的指令之后，我们再恢复原进程的IR
,从而达到改变原程序运行逻辑的目的。

tracee进程代码：

stdio.h>

int main(){

        int i=0;

    while(1){

            printf("Hello,ptrace! [pid:%d]! num is %d\n",getpid(),i++);

                sleep(2);

      }

      return 0;

}

tracer进程代码



#include<sys/ptrace.h>

#include<sys/reg.h>

#include<sys/wait.h>

#include<sys/user.h>

#include<stdlib.h>

#include<errno.h>

#include<string.h>

#include<stdio.h>

#define long_size sizeof(long)

void getdata(pid_t child, long addr ,char * str,int len){

    char * laddr =str;

    int i,j;

    union u{

          long  val;

          char   chars [long_size] ;

        } data;

    i=0;

    j=len/long_size;

     while(i<j){

           data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + long_size*i,NULL);

           if(data.val==-1){

        if(errno){

                  printf("READ error: %s\n",strerror(errno));

                }

           }

           memcpy(laddr,data.chars,long_size);

            ++i;

           laddr=laddr+long_size;

        }

    j= len %long_size;

    if(j!=0){

      data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + long_size*i,NULL);

      if(data.val==-1){

        if(errno){

                  printf("READ error: %s\n",strerror(errno));

                }

           }

      memcpy(laddr,data.chars,j);

    }

    str[len]='\0';

}

void putdata(pid_t child , long addr,char * str,int len){

    char * laddr =str;

    int i,j;

    j=len/long_size;

    i=0;

    union u{

           long val;

           char chars [long_size]  ;

    } data;

    while(i<j){

         memcpy(data.chars,laddr,long_size);

         ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr + long_size*i,data.val);

         ++i;

         laddr=laddr+long_size;

    }

    j=len%long_size;

    if(j!=0){

        data.val= ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + long_size*i,NULL);

        if(data.val==-1){

           if(errno){

                  printf("READ error: %s\n",strerror(errno));

                }

        }

         memcpy(data.chars,laddr,j);

         ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr + long_size*i,data.val);

     }

}

int main(int argc,char * argv[]){

     if(argc!=2){

         printf("Usage: %s pid\n",argv[0]);

     }

     pid_t tracee = atoi(argv[1]);

     struct user_regs_struct regs;

     /*int 80(系统调用) int 3（断点）*/

     unsigned char code[]={0xcd,0x80,0xcc,0x00,0,0,0,0}; //八个字节，等于long 型的长度

     char backup[8]; //备份读取的指令

     ptrace(PTRACE_ATTACH,tracee,NULL,NULL);

     long inst;  //用于保存指令寄存器所指向的下一条将要执行的指令的内存地址 

      wait(NULL);

      ptrace(PTRACE_GETREGS,tracee,NULL,&regs);

     inst  =ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,tracee,regs.rip,NULL);

      printf("tracee:RIP:0x%llx INST: 0x%lx\n",regs.rip,inst);

     //读取子进程将要执行的 7 bytes指令并备份

     getdata(tracee,regs.rip,backup,7);

     //设置断点

     putdata(tracee,regs.rip,code,7);

     //让子进程继续执行并执行“int 3”断点指令停止

     ptrace(PTRACE_CONT,tracee,NULL,NULL);

     wait(NULL);

     long rip=ptrace(PTRACE_PEEKUSER,tracee,8*RIP,NULL);//获取子进程停止时，rip的值

     long inst2=ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,tracee,rip,NULL);

     printf("tracee:RIP:0x%lx INST: 0x%lx\n",rip,inst2);

     printf("Press Enter to continue  tracee process\n");

     getchar();

     putdata(tracee,regs.rip,backup,7); //重新将备份的指令写回寄存器

     ptrace(PTRACE_SETREGS,tracee,NULL,&regs);//设置会原来的寄存器值

      ptrace(PTRACE_CONT,tracee,NULL,NULL);

     ptrace(PTRACE_DETACH,tracee,NULL,NULL);

     return 0;

}

先运行tracee.o 文件

$  ./tracee.o

此时tracee.o输出：

Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 0

Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 1

Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 2

Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 3

......

再另打开一个shell运行attach.o文件

$  ./.attach.o  14384 //pid

此时tracee.o执行到int 3断点指令停止，attach1,o输出：

tracee:RIP:0x7f48b0394f20 INST: 0x3173fffff0013d48

tracee:RIP:0x7f48b0394f23 INST: 0x8348c33100000000

Press Enter to continue  tracee process

按任意键tracee.o恢复执行

参考：

http://www.cnblogs.com/pannengzhi/p/5203467.html