操作系统-用内核模块法增加一个系统调用
通过内核模块法增加一个系统调用
1、一些基本概念
1）内核模块法相较于直接添加系统调用所耗费的时间更短，更加灵活。
2）内核模块的目标代码一旦被链接到内核，它的作用和静态链接的内核目标代码完全等价。
3）修改内核时，不必全部重新编译整个内核，可节省不少时间，避免人工操作的错误。系统中如果需要使用新模块，只要编译相应的模块然后使用特定用户空间的程序将模块插入即可。
2、实验过程
1、准备工作
（1）获取当前系统syscall_table的地址
可以使用如下指令：
这里查到的 R sys_call_table即是我们需要找到的系统调用表的地址。
（2）查询系统预留的系统调用号
可以在系统对应的内核文件中找到系统调用表，一般系统调用表中都会存在一定的预留系统调用号，可以供给用户自定义系统调用模块。（在实验环境下预留系统调用号在335-390之间），因此在下面的模块源文件中，采用335作为定义的系统调用号。
2、创建模块对应的源文件simple.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/sched.h>
#define SYS_CALL_TABLE_ADDRESS 0xffffffff856013c0 //sys_call_table对应的地址
#define NUM 335 //系统调用号为335
int orig_cr0; //用来存储cr0寄存器原来的值
unsigned long *sys_call_table_my=0;
static int(*anything_saved)(void); //定义一个函数指针，用来保存一个系统调用
static int clear_cr0(void) //使cr0寄存器的第17位设置为0（内核空间可写）
{
unsigned int cr0=0;
unsigned int ret;
asm volatile("movq %%cr0,%%rax":"=a"(cr0));//将cr0寄存器的值移动到eax寄存器中，同时输出到cr0变量中
ret=cr0;
cr0&=0xfffffffffffeffff;//将cr0变量值中的第17位清0,将修改后的值写入cr0寄存器
asm volatile("movq %%rax,%%cr0"::"a"(cr0));//将cr0变量的值作为输入，输入到寄存器eax中，同时移动到寄存器cr0中
return ret;
}
static void setback_cr0(int val) //使cr0寄存器设置为内核不可写
{
asm volatile("movq %%rax,%%cr0"::"a"(val));
}
asmlinkage long sys_mycall(void) //定义自己的系统调用
{
printk("system call:当前pid：%d，当前comm:%s\n",current->pid,current->comm);
printk("hello, underworld!\n");
return current->pid;
}
/* This function is called when the module is loaded. */
int simple_init(void)
{
printk(KERN_INFO "Loading Module\n");
sys_call_table_my=(unsigned long*)(SYS_CALL_TABLE_ADDRESS);
//printk("call_init......\n");
anything_saved=(int(*)(void))(sys_call_table_my[NUM]);//保存系统调用表中的NUM位置上的系统调用
orig_cr0=clear_cr0();//使内核地址空间可写
sys_call_table_my[NUM]=(unsigned long) &sys_mycall;//用自己的系统调用替换NUM位置上的系统调用
setback_cr0(orig_cr0);//使内核地址空间不可写
return 0;
}
/* This function is called when the module is removed. */
void simple_exit(void) {
printk(KERN_INFO "Removing Module\n");
orig_cr0=clear_cr0();
sys_call_table_my[NUM]=(unsigned long)anything_saved;//将系统调用恢复
setback_cr0(orig_cr0);
}
/* Macros for registering module entry and exit points. */
module_init( simple_init );
module_exit( simple_exit );
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Simple Module");
MODULE_AUTHOR("SGG");
该模块功能主要是返回调用该模块的进程的pid及运行的可执行文件的文件名。同时调用系统调用printk输出pid并打印“hello，underworld”（可用dmesg查看）。
同时，该模块定义了自己的系统调用，并将定义的系统调用指向了系统的系统调用表，这样可以使用syscall(int num)函数调用模块中定义的系统调用。
3、编写对应的makefile文件
obj-m:=simple.o
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-5.4.0-42-generic
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean
4、执行make指令
此时，看到的simple.ko即为可以载入系统内核的模块。
5、载入模块
通过insmod指令，可以将可链接的模块载入系统内核。
这里即是使用 sudo insmod simple.ko（需要管理员权限）
通过lsmod指令可以在终端输出当前内核载入的模块，可以看到定义的simple模块成功载入。
6、编写测试函数test.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<linux/kernel.h>
#include<sys/syscall.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
unsigned long x = 0;
x = syscall(335); //测试335号系统调用
printf("systemcall result is %ld\n", x);
return 0;
}
这里通过输出对这个系统调用的返回值（即当前进程的pid）来测试，如果返回值为-1，则表示调用失败。同时，可以通过dmesg指令检测系统调用是否正常输出定义的字符串和pid&comm.,如下图。
7、strace追踪测试函数
strace-i 即可显示程序在哪个地址进行了系统调用，在后续代码调试的部分可将该地址作为断点，再利用GDB进一步定位问题
strace -c 统计每一系统调用的所执行的时间,次数和出错的次数等
8、移除模块
实验结束后，应将链接的测试模块移出内核，以保证内核不被污染。用rmmod指令即可，最后可以用lsmod检查是否移除成功。
3、实验遇到的问题&解决措施
1、最初实验不知道怎么通过模块来修改内核的系统调用表的地址
解决方法：查找一些博客，主要是参考博客，得知可以通过更改寄存器cr0的值来更改内核地址的读写权限。最后成功的将模块的系统调用载入了内核的系统调用。
2、实验测试之初，定义的系统调用总是返回-1，不能正确的返回pid
问题原因：上网搜索相关博客后，发现syscall返回-1是没有调用成功的结果。后来发现最初找的系统调用表不是makefile文件中对应的内核的系统调用表。（因为下载了好几个内核，所以用混了），最初使用的预留系统调用号其实超过了内核的系统调用号。找到对应的内核的系统调用表后，使用了正确的预留系统调用号，运行则没有问题。
4、参考文献
参考书目：《linux设备驱动开发详解》、《Operating System》（9th）
参考博客链接：https://blog.csdn.net/thugkd/article/details/50117125
具体的实现代码可以参考本人github上的sourcecode
浙公网安备 33010602011771号