Linux内核中如何添加新功能隐藏进程地址空间内存不被窃取

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首先看怎样能获取其它进程地址空间的内存，答案是ptrace毫无疑问了,其它比如使用crash工具，利用系统漏洞，插入模块等邪门方法不在本篇讨论范围之内。

上例子：test.c

 #define handle_error(msg) \     do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)  int main(void) {         char *p;          char const str[] = "Jeff Xie\n";          p = malloc(sizeof(str));         if (!p)                 handle_error("malloc");         printf("p:0x%llx\n", p);          memcpy(p, str, sizeof(str));         printf("str:%s\n", p);          sleep(10000);          return 0; }

地址: https://github.com/x-lugoo/hide-memory

上面例子test.c中只是非常单纯的malloc了一块区域(堆区)，然后保存了一个字符串.

terminal 1:

#gcc test.c  #./a.out  p:0xd3d260 str:Jeff Xie

terminal 2:

#ps -C a.out   PID TTY          TIME CMD 19145 pts/4    00:00:00 a.out #cat /proc/19145/maps 00400000-00401000 r-xp      /home/jeff/a.out 00600000-00601000 r--p      /home/jeff/a.out 00601000-00602000 rw-p      /home/jeff/a.out 00d3d000-00d5e000 rw-p      [heap]

可以看到0xd3d260 在heap区域范围内，使用readmem就可以简单粗暴的读出了进程19145(a.out)的0xd3d260  向后十个字节的内容.

terminal 2:

＃readmem 19145 0xd3d260 10 Jeff Xie

程序readmem使用ptrace功能实现，代码见：

https://github.com/x-lugoo/hide-memory/tree/main/ptrace

如果进程19145保存的不是一个普通的字符串，而是某位皇帝留下的千年宝藏的地址，或者里面的信息关系到整个公司的命脉，如果被nice值不高的人获取了，后果可想而知。

最近有人(前辈)在linux内核社区提交了一个patch，解决了这个问题，我把整个patch简化了一些。

原始patch:

https://lore.kernel.org/linux-fsdevel/20201203062949.5484-1-rppt@kernel.org/T/#t

被我简化后：

https://github.com/x-lugoo/hide-memory/blob/main/hidemem/0001-hidemem-Initialization-version.patc

此patch实现的原理：

新增一个系统调用memfd_hide, 当用户使用这个系统调用时，会返回一个fd,  进而使用mmap(...fd...),map一段内存，此段内存将是安全的，其它人不能通过ptrace获取。

--- a/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl +++ b/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl @@ -362,6 +362,7 @@  438    common  pidfd_getfd     sys_pidfd_getfd  439    common  faccessat2      sys_faccessat2  440    common  process_madvise     sys_process_madvise +441    common  memfd_hide      sys_memfd_hide  SYSCALL_DEFINE1(memfd_hide, unsigned long, flags) {         struct file *file;         int fd, err;         fd = get_unused_fd_flags(flags & O_CLOEXEC);         file = hidemem_file_create(flags);         fd_install(fd, file);         return fd; }

当用户调用441号系统调用时,系统会返回一个fd,例如用户层这样调用:

#define __NR_memfd_hide 441 static int memfd_secret(unsigned long flags) {      return syscall(__NR_memfd_hide, flags); } fd = memfd_secret(0);

fd_install 做了以下操作，把fd和当前进程关联起来.

struct fdtable *fdt; struct task_struct {           ...           struct files_struct             *files; } fdt = current->files->fdt; fdt->fd[fd] = file;

hidemem_file_create 最终是返回了一个struct file,  但是做的一个很重要的动作是初始化一系列回调函数,让用户调用mmap和memcpy时，在发生page  fault时进行合适的动作，比如调用alloc_page(gfp)申请一块内存.

fd = memfd_secret(0); p = mmap(NULL, 4096, prot, mode, fd, 0); memcpy(p, str, sizeof(str));

追随以下绿色标记 可以很好理清函数调用关系:

static struct file *hidemem_file_create(unsigned long flags) {         struct file *file = ERR_PTR(-ENOMEM);         struct inode *inode;         inode = alloc_anon_inode(hidemem_mnt->mnt_sb);         file = alloc_file_pseudo(inode, hidemem_mnt, "hidemem",                                  O_RDWR, &hidemem_fops);         inode->i_mapping->a_ops = &hidemem_aops;  static const struct file_operations hidemem_fops = {         .release        = hidemem_release,         .mmap           = hidemem_mmap, };  static int hidemem_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) {         vma->vm_ops = &hidemem_vm_ops;         vma->vm_flags |= VM_LOCKED; }  static const struct vm_operations_struct hidemem_vm_ops = {         .fault = hidemem_fault, };  static vm_fault_t hidemem_fault(struct vm_fault *vmf) {         struct address_space *mapping = vmf->vma->vm_file->f_mapping;         vm_fault_t ret = 0;         struct page *page;         int err;          page = find_get_page(mapping, offset);         if (!page) {                 page = hidemem_alloc_page(vmf->gfp_mask);                 err = add_to_page_cache(page, mapping, offset, vmf->gfp_mask);         }         vmf->page = page; }

static struct page *hidemem_alloc_page(gfp_t gfp) {         return alloc_page(gfp); }

回到怎样隐藏进程空间的问题上:

当其它进程使用ptrace功能获取指定进程地址空间内容时，会调用到check_vma_flags(),  此时加上一个条件判断，如果此段vma(/proc/pid/maps中的每一列地址范围属于一个vma)属于hidemem, 直接返回错误.

 static int check_vma_flags(struct vm_area_struct *vma, unsigned long gup_flags)  {      vm_flags_t vm_flags = vma->vm_flags; @@ -923,6 +925,9 @@ static int check_vma_flags(struct vm_area_struct *vma, unsigned long gup_flags)      if (gup_flags & FOLL_ANON && !vma_is_anonymous(vma))          return -EFAULT;  +    if (vma_is_hidemem(vma)) +        return -EFAULT; +      if (write) {          if (!(vm_flags & VM_WRITE)) {              if (!(gup_flags & FOLL_FORCE))

static const struct vm_operations_struct hidemem_vm_ops = {         .fault = hidemem_fault, };  bool vma_is_hidemem(struct vm_area_struct *vma) {         return vma->vm_ops == &hidemem_vm_ops; }

加上vma_is_hidemem(vma)判断之后，此时如果使用readmem利用ptrace获取指定进程内存段的时候，会直接报错，以达到隐藏vma背后page内容的目的。

以上patch和测试代码都在:

https://github.com/x-lugoo/hide-memory

原始patch:

https://lore.kernel.org/linux-fsdevel/20201203062949.5484-1-rppt@kernel.org/T/#t

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当前题目：Linux内核中如何添加新功能隐藏进程地址空间内存不被窃取
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