Linux内核分析实验（二）——深入理解系统调用

深藏阁楼爱情的钟 2022-11-01 10:52 289阅读 0赞

## 一、实验内容 ##

*  找一个系统调用，系统调用号为学号最后2位相同的系统调用
 *  通过汇编指令触发该系统调用
 *  通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程
 *  重点阅读分析系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回，以及重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化

## 二、实验环境配置 ##

1、安装开发工具

sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
    sudo apt install qemu

2、下载安装多线程下载工具axel并使用axel下载内核源代码

sudo apt install axel
    axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz

3、解压内核源代码

xz -d linux-5.4.34.tar.xz
    tar -xvf linux-5.4.34.tar
    cd linux-5.4.34

4、编译内核并配置编译选项

make defconfig
    make menuconfig #打开配置选项，如下图所示

![795e9577aee4b81c85360e0e78876d15.png][]

修改相关选项如下：

![复制代码][48304ba5e6f9fe08f3fa1abda7d326ab.png]

Kernel hacking --->
          Compile-time checks and compiler options --->
              [*] Compile the kernel with debug info
              [*] Provide GDB scripts for kernel debugging [*] Kernel debugging
    
    Processor type and features ---->
          [] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

![复制代码][48304ba5e6f9fe08f3fa1abda7d326ab.png]

5、编译

make -j$(nproc)
    #在linux-5.4.34文件夹下使用qemu测试内核是否能加载，结果如下图所示显示“kernel panic”
    qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

![df2f0ba0bebd9611861173226c7f5a24.png][]

6、使用busybox制作根文件系统，我直接在linux-5.4.34文件夹下下载并解压的

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
    tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
    cd busybox-1.31.1

配置并修改相关选项

make menuconfig
    #打开debug选项，选择静态链接
    Settings --->
        [*] Build static binary (no shared libs)

编译安装到busybox-1.31.1下的\_install目录下

make -j$(nproc) && make install

7、制作内存根文件镜像，在busybox-1.31.1目录下新键rootfs文件并将busybox-1.31.1下的\_install文件中的内容复制到rootfs中，新建四个文件夹，在dev文件下新建七个文档。

mkdir rootfs
    cd rootfs
    cp ../_install/* ./ -rf
    mkdir dev proc sys home
    sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

8、在rootfs文件夹下新建一个init脚本文件，并在init中添加如下内容：

#!/bin/sh
    mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys
    echo "Wellcome MengningOS!" echo "--------------------"
    cd home
    /bin/sh

9、给init文件赋予可执行权限，此时init文件名变为绿色，说明其为可执行文件了

chmod +x init

10、在rootfs文件中打包成内存根文件系统镜像，打包完后在busybox-1.31.1文件夹中就生成了rootfs.cpio.gz镜像文件，在busybox-1.31.1文件中用qemu测试挂载根文件系统，显示“Wellcome MengningOS!”

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

qemu-system-x86_64 -kernel ../arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

11、结果

![86298ab8e86dfd3149b683cb10cfced9.png][]

## 三、编写汇编指令触发系统调用 ##

1、查看学号后两位所对应的系统调用函数

从inux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall\_32.tbl中找到要调用的学号后两位的63号系统调用。（由于我的虚拟机为32位所以我查找syscall\_32.tbl文件，如果是64位的虚拟机则查找syscall\_64.tbl文件）

由下文件截图可以看出63号对应的系统调用为sys\_dup2。

![7d8f25518d6a1f4a60f8ebe8d307c267.png][]

2、32位Linux系统调用dup2()功能

dup2()函数可以用来复制一个文件描述符，它的原型为：

int dup2(int oldfd, int newfd);

函数执行成功返回新的文件描述符，失败则返回-1。同时它可以用newfd来指定新描述符的数值，如果newfd指向的文件已经被打开则会先将其关闭，如果newfd等于oldfd，就不关闭newfd，newfd和oldfd共同指向同一份文件。这也是linux系统的重定向实现方法。

3、编写调用代码

为了能够触发sys\_dup2，新建一个test.c文件，内容编写如下：

![复制代码][48304ba5e6f9fe08f3fa1abda7d326ab.png]

int main()
    {
        asm volatile(
        "movl $0x3F,%eax\n\t" 
        "syscall\n\t" 
        );
        return 0;
    }

![复制代码][48304ba5e6f9fe08f3fa1abda7d326ab.png]

使用gcc对文件进行编译，生成可执行文件test,注意要使用静态编译。

gcc test.c -o test -static

将生成的文件复制到rootfs下的home文件夹中

4、在rootfs文件中重新打包在busybox-1.31.1中生成内存根文件系统镜像rootfs.cpio.gz

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

## 四、gdb跟踪该系统调用的内核处理过程 ##

1、启动qemu

在busybox-1.31.1文件中纯命令行启动qemu

qemu-system-x86_64 -kernel ../arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"

此时会停留在如下图界面不动。

![b2bdc81cc48c77b436eff7dfe8c34bef.png][]

2、启动gdb

在linux-5.4.34中打开另一个新的终端，运行如下代码，查看sys\_dup2的断点在fs/file.c的第948行处。

gdb vmlinux
    (gdb) target remote:1234
    (gdb) b sys_dup2

![7632ffe9a61b3c2a6ba279d0b6f11fa7.png][]

输入c继续，回到初试终端运行home下刚编译好的可执行文件test

![92622db824a0387a87c343246aeacc89.png][]

3、调试结果

不停输入n进行单步gdb调试，由结果可得触发的是函数\_\_se\_sys\_dup2()。

![b5141b69ee95c9fa59a4e7187055a551.png][]

![07c50ae405f0853208f6bd33b3120ce1.png][]

![f4101c4e12c8004a718296db8321fec9.png][]

## 五、总结 ##

通过以上gdb调试，entry\_sysenter\_332()是整个系统调用的入口处，它负责保存现场，调用对应的内核处理函数，并恢复现场，完成系统调用的返回等一系列工作。并且它的保存现场主要是通过swapgs和压栈完成的。

do\_syscall\_32函数可以在相应寄存器中获取到系统调用号。

然后执行dup2()函数。

最后两个pop指令恢复了相应寄存器

[795e9577aee4b81c85360e0e78876d15.png]: /images/20221024/47642573f6bc4a869967f42ae5c0ea02.png
[48304ba5e6f9fe08f3fa1abda7d326ab.png]: /images/20221024/43a93623ae1a4ddda177d740e9212278.png
[df2f0ba0bebd9611861173226c7f5a24.png]: /images/20221024/852be2fd29264001808a01ab9848523a.png
[86298ab8e86dfd3149b683cb10cfced9.png]: /images/20221024/700df53957854d35a2f485eded494522.png
[7d8f25518d6a1f4a60f8ebe8d307c267.png]: /images/20221024/2d2472521f904a79b9e37ac8196d2de6.png
[b2bdc81cc48c77b436eff7dfe8c34bef.png]: /images/20221024/f189184acccf4cb89d010e3dd307442a.png
[7632ffe9a61b3c2a6ba279d0b6f11fa7.png]: /images/20221024/9a1013ce202a49009f87b7c5f21ad8b4.png
[92622db824a0387a87c343246aeacc89.png]: /images/20221024/ce2a10464f8344db967543493c85e928.png
[b5141b69ee95c9fa59a4e7187055a551.png]: /images/20221024/a3eb47ebe46242919a6f87a4fc26eff3.png
[07c50ae405f0853208f6bd33b3120ce1.png]: /images/20221024/8f4559f9bc48405f90ce08daff145a11.png
[f4101c4e12c8004a718296db8321fec9.png]: /images/20221024/874e129de49d48fbbd4f86fb585675f4.png