Linux内核私闯进程地址空间并修改进程内存的方法
进程地址空间的隔离 是现代操作系统的一个显著特征。这也是区别于 “古代”操作系统 的显著特征。
进程地址空间隔离意味着进程P1无法以随意的方式访问进程P2的内存，除非这块内存被声明是共享的。
这非常容易理解，我举个例子。
我们知道，在原始野人社会，是没有家庭的观念的，所有的资源都是部落内共享的，所有的野人都可以以任意的方式在任意时间和任何其他野人交互。类似Dos这样的操作系统就是这样的，内存地址空间并没有隔离。进程可以随意访问其它进程的内存。
后来有了家庭的观念，家庭的资源被隔离，人们便不能私闯民宅了，人们无法以随意的方式进入别人的家用别人的东西，除非这是主人允许的。操作系统进入现代模式后，进程也有了类似家庭的概念。
但家庭的概念是虚拟的，人们只是遵守约定而不去破坏别人的家庭。房子作为一个物理基础设施，保护着家庭。在操作系统中，家庭类似于虚拟地址空间，而房子就是页表。
邻居不能闯入你的房子，但警察可以，政府公务人员以合理的理由也可以。所谓的特权管理机构只要理由充分，就可以进入普通人家的房子，touch这家人的东西。对于操作系统而言，这就是内核可以做的事，内核可以访问任意进程的地址空间。
当然了，内核并不会无故私闯民宅，就像警察不会随意闯入别人家里一样。
但是，你可以让内核故意这么做，做点无赖的事情。
我们来试一下，先看一个程序：
// test.c // gcc test.c -o test #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/mman.h> int main() { char* addr = mmap(NULL, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0); strcpy(addr, "Zhejiang wenzhou pixie shi"); printf("addr: %lu pid:%dn", addr, getpid()); printf("before:%s n", addr); getchar(); printf("after:%sn", addr); return 0; }
这个程序的输出非常简单，before和after都会输出 “Zhejiang wenzhou pixie shi”，但是我们想把这句话给改了，怎么办呢？显然，test进程如果自己不改它，那就没辙…但是可以让内核强制改啊，让内核私闯民宅就是了。
接下来我写一个内核模块：
// test.c // make -C /lib/modules/`uname -r`/build SUBDIRS=`pwd` modules #include <linux/mm.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/module.h> static int pid = 1; module_param(pid, int, 0644); static unsigned long addr = 0; module_param(addr, long, 0644); // 根据一个进程的虚拟地址找到它的页表，相当于找到这家人的房子地址，然后闯入！ static pte_t* get_pte(struct task_struct *task, unsigned long address) { pgd_t* pgd; pud_t* pud; pmd_t* pmd; pte_t* pte; struct mm_struct *mm = task->mm; pgd = pgd_offset(mm, address); if(pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd)) return NULL; pud = pud_offset(pgd, address); if(pud_none(*pud) || pud_bad(*pud)) return NULL; pmd = pmd_offset(pud, address); if(pmd_none(*pmd) || pmd_bad(*pmd)) return NULL; pte = pte_offset_kernel(pmd, address); if(pte_none(*pte)) return NULL; return pte; } static int test_init(void) { struct task_struct *task; pte_t* pte; struct page* page; // 找到这家人 task = pid_task(find_pid_ns(pid, &init_pid_ns), PIDTYPE_PID); // 找到这家人住在哪里 if(!(pte = get_pte(task, addr))) return -1; page = pte_page(*pte); // 强行闯入 addr = page_address(page); // sdajgdoiewhgikwnsviwgvwgvw strcpy(addr, (char *)"rain flooding water will not get fat!"); // 事了拂衣去，深藏功与名 return 0; } static void test_exit(void) { } module_init(test_init); module_exit(test_exit); MODULE_LICENSE("GPL");
来来来，我们来试一下：
[root@10 page_replace]# ./test addr: 140338535763968 pid:9912 before:Zhejiang wenzhou pixie shi
此时，我们加载内核模块test.ko
[root@10 test]# insmod test.ko pid=9912 addr=140338535763968 [root@10 test]#
在test进程拍入回车：
[root@10 page_replace]# ./test addr: 140338535763968 pid:9912 before:Zhejiang wenzhou pixie shi after:rain flooding water will not get fat! [root@10 page_replace]#
显然，“浙江温州皮鞋湿”被改成了“下雨进水不会胖”。
仔细看上面那个内核模块的 get_pte 函数，这个函数要想写对，你必须对你想蹂躏的进程所在的机器的MMU有一定的了解，比如是32位系统还是64位系统，是3级页表还是4级页表或者5级？这…
Linux的可玩性在于你可以自己动手，又可以让人代劳。比如，获取一个进程的虚拟地址的页表项指示的物理页面，就可以直接得到。
有这样的API吗？有啊，别忘了一切皆文件，恰好在proc文件系统中，就有这么一个文件：
/proc/$pid/pagemap
读取这个文件，得到的就是进程虚拟地址的页表项，下图截自内核Doc：
Documentation/vm/pagemap.txt
虚拟地址空间是每进程的，而物理地址空间则是所有进程共享的。换句话说，物理地址是全局的。
现在，根据Documentation/vm/pagemap.txt的解释，写一个程序，获取任意进程任意虚拟地址的全局物理地址：
// getphys.c // gcc getphys -o getphys #include <fcntl.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(int argc, char **argv) { int fd; int pid; unsigned long pte; unsigned long addr; unsigned long phy_addr; char procbuf[64] = {0}; pid = atoi(argv[1]); addr = atol(argv[2]); sprintf(procbuf, "/proc/%d/pagemap", pid); fd = open(procbuf, O_RDONLY); size_t offset = (addr/4096) * sizeof(unsigned long); lseek(fd, offset, SEEK_SET); read(fd, &pte, sizeof(unsigned long)); phy_addr = (pte & ((((unsigned long)1) << 55) - 1))*4096 + addr%4096; printf("phy addr:%lun", phy_addr); return 0; }
随后，我们修改内核模块：
#include <linux/module.h> static unsigned long addr = 0; module_param(addr, long, 0644); static int test_init(void) { strcpy(phys_to_virt(addr), (char *)"rain flooding water will not get fat!"); return 0; } static void test_exit(void) { } module_init(test_init); module_exit(test_exit); MODULE_LICENSE("GPL");
先运行test，然后根据test的输出作为getphys的输入，再根据getphys的输出作为内核模块test.ko的输入，就成了。还记得吗？这不就是管道连接多个程序的风格吗？
输入一个物理地址，然后把它改了，仅此而已。通过虚拟地址获取页表的操作已经由用户态的pagemap文件的读取并解析代劳了。
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