Linux内核调试技术详解

0x00 前言

Linux内核调试是二进制安全研究的重要组成部分。由于不同Linux系统版本和内核版本中驱动模块和函数加载地址的差异，直接使用他人提供的exp往往无法成功利用漏洞。掌握内核调试技术对于内核漏洞分析和提权研究至关重要。

0x01 内核编译配置

调试内核首先需要准备特定版本的内核源码，可以从官方仓库获取所有历史版本。编译前需要进行正确的配置：

$ make menuconfig

关键配置项：

1. Kernel Hacking 部分：

   • Compile the kernel with debug info（必须选中）
   • Compile the kernel with frame pointers（必须选中）
   • KGDB: kernel debugging with remote gdb（选中并启用所有子选项）

2. Processor type and features 部分：

   • 取消 Paravirtualized guest support

3. Kernel Hacking 部分：

   • 取消 Write protect kernel read-only data structures（否则无法使用软件断点）

配置完成后执行：

$ make
$ make modules_install
$ make install

0x02 使用KVM和GDB调试内核

环境准备

1. 检查CPU是否支持虚拟化：

$ grep vmx /proc/cpuinfo

2. 安装必要组件：

$ sudo apt-get install kvm qemu libvirt-bin virtinst virt-manager virt-viewer

3. 添加用户到相关组：

$ sudo adduser 用户名 kvm
$ sudo adduser 用户名 libvirtd
$ groups

4. 启动服务：

$ sudo service libvirt-bin start

配置虚拟机

1. 启动virt-manager：

$ gksudo virt-manager

2. 添加GDB调试支持配置：

<qemu:commandline>
  <qemu:arg value='-S'/>
  <qemu:arg value='-gdb'/>
  <qemu:arg value='tcp::1234'/>
</qemu:commandline>

调试步骤

1. 主机端启动GDB：

$ gdb vmlinux
(gdb) target remote 127.0.0.1:1234
(gdb) b drv_open  # 设置断点
(gdb) c  # 继续执行

2. 虚拟机中加载驱动模块：

$ insmod drv.ko

0x03 使用QEMU和GDB调试内核

更简单的方法是直接使用QEMU启动内核：

qemu-system-x86_64 -s -S -kernel arch/i386/boot/bzImage \
-hda /boot/initrd.img -append "root=/dev/hda" -gdb tcp::1234

参数说明：

• -s：相当于-gdb tcp::1234的简写
• -S：启动时暂停CPU执行
• -kernel：指定内核镜像
• -hda：指定硬盘镜像
• -append：内核启动参数

无图形界面模式添加：

-nographic

GDB连接方式与KVM相同。

0x04 使用KDB和KGDB调试内核驱动模块

环境准备

1. 准备两台VMware虚拟机（一台作为调试机，一台作为目标机）

2. 配置串行端口：

   • 删除并行端口
   • 添加串行端口
   • 一台设为客户端，一台设为服务端

3. 测试串口连接：

   • 客户机：

   $ cat /dev/ttyS0
   

   • 目标机：

   $ echo test > /dev/ttyS0
   

配置串口调试

修改/etc/default/grub：

GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="... kgdboc=ttyS1,115200 text"

更新配置并重启：

$ update-grub

调试步骤

1. 目标机：

   • 加载驱动模块：

   $ insmod drv.ko
   

   • 查看驱动基址：

   $ dmesg
   

   或

   $ cat /proc/modules | grep drv
   

   • 进入调试状态：

   # echo g > /proc/sysrq-trigger
   

2. 客户机：

   • 启动GDB并连接：

   $ gdb vmlinux
   (gdb) target remote /dev/ttyS1
   

   • 加载符号文件并设置断点：

   (gdb) add-symbol-file drv.ko 0xffffffffa0000000
   (gdb) b device_ioctl
   (gdb) b device_open
   (gdb) c
   

3. 目标机运行测试程序触发断点：

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "drv.h"

#define DEVICE_PATH "/dev/vulndrv"

int main(int argc, char **argv) {
    int fd;
    struct drv_req req;
    req.offset = atoll(argv[1]);
    fd = open(DEVICE_PATH, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
    }
    ioctl(fd, 0, &req);
    return 0;
}

0x05 参考链接

1. QEMU直接启动Linux内核文档
2. IBM开发者文档：使用KGDB调试Linux内核