Linux内核之旅/张凯捷—系统调用分析(3) (基于最新Linux-5.0版本系统调用日志收集系统)

在上一篇文章《系统调用分析(2)》中介绍和分析了32位和64位的快速系统调用指令——sysenter/sysexit和syscall/sysret，以及内核对快速系统调用部分的相关代码，并追踪了一个用户态下的系统调用程序运行过程。

本篇中将基于最新的Linux-5.0内核，添加一个系统调用，完成一个“系统调用日志收集系统”； 并对这三篇文章进行一个总结。

加前两篇文章在这里：

https://mp.weixin.qq.com/s/3Dvd2dy0l6OYFVGzfEvOcg

https://mp.weixin.qq.com/s/7uXVXXqzN8wMqgxqrN_5og

加一个系统调用

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单纯添加一个系统调用会显得有些单调，出于既是作业又是学习角度，将系统调用、工作队列、修改内核、内核编译和内核模块编写插入等结合起来，通过完成一个系统调用日志收集系统。

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系统调用日志收集系统的目的

系统调用是用户程序与系统打交道的入口，系统调用的安全直接关系到系统的安全，如果一个用户恶意地不断调用fork()将导致系统负载增加，所以如果能收集到是谁调用了一些有危险的系统调用，以及系统调用的时间和其他信息，将有助于系统管理员进行事后追踪，从而提高系统的安全性。

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系统调用日志收集系统概述

图3-1 系统调用日志收集系统示意图

根据示意图，系统调用日志收集系统所做工作为：当用户进程执行系统调用，运行到内核函数do_syscall_64时，进行判断是否为我们需要记录的系统调用，如果是我们需要记录的系统调用则通过my_audit这一函数将记录内容写入内核中的buffer里；同时编写用户态测试程序调用335号系统调用(myaudit)，这一系统调用调用my_sysaudit这一函数将内核buffer中数据copy到用户buffer中并显示日志内容；其中我们调用的my_audit和my_sysaudit都是钩子函数，具体实现使用内核模块完成并插入，方便调试。

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系统调用日志收集系统实现

（1）增加系统调用表的表项

打开arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl，添加一个系统调用表项：

335 common  myaudit         __x64_sys_myaudit

（2）添加系统调用函数

在arch/x86/kernel/目录下添加myaudit.c文件完成系统调用函数：

#include <linux/uaccess.h>

这里可以看到实际上定义两个钩子函数，在我们系统调用里去调用这两个钩子函数，这样可以以模块的方式添加这两个函数的具体内容，方便调试。

（3）修改Makefile

修改arch/x86/kernel/Makefile，将myaduit.c文件加入内核编译：

obj-y           += myaudit.o

（4）增加函数声明

在include/linux/syscalls.h最后的endif前添加函数声明：

asmlink long sys_myaudit(u8, u8 *, u16, u8);

（5）拦截相关系统调用

正如前面对syscall执行的分析，修改do_syscall_64()函数(在/arch/x86/entry/common.c中)，对系统调用号nr进行判断，如果是我们日志收集系统需要记录的系统调用，就调用我们的记录函数进行记录：

__visible void do_syscall_64(unsigned long nr, struct pt_regs *regs)

可以看到要记录的系统调用有：2：open；3：close；39：getpid；56：clone；57：fork；59：execve。

（6）重新编译内核

#提前把原来内核版本的.config拷贝到5.0内核源码根目录下

（7）添加实现钩子函数的内核模块

my_audit.c:#include <linux/init.h>

#include <linux/module.h>

（8）实现用户空间收集日志进程程序

test_syscall.c：

#include <stdlib.h>

（9）测试系统

运行用户空间收集日志进程程序，随着OS系统的运行，不断从内核里记录相关系统调用日志的buffer中取出打印在屏幕上：

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图3-2 系统测试截图

总结

图 4-1 系统调用总结图

《系统调用分析》一共三篇文章，先从最早的系统调用方法——(int 80)开始，基于Linux-2.6.39内核开始分析，对用软中断系统调用的初始化、处理流程和系统调用表进行了学习探究。随后，基于Linux-4.20内核分析学习了从机制上对系统调用进行优化的方法——vsyscalls和vDSO。之后对32位下的快速系统调用指令——sysenter/sysexit进行指令学习和对相关Linux源码分析。然后在Linux-4.20内核下编写调用系统调用的程序，使用gdb进行调试跟踪并分析出最后使用syscall指令执行系统调用，再对64位下的快速系统调用指令syscall/sysret进行指令学习和对相关Linux源码分析。最后在Linux-5.0内核上完成一个系统调用日志收集系统，其中包含着添加系统调用，编译内核，修改内核代码，添加内核模块，编写用户态程序测试。

参考文献

[1] 英特尔®64和IA-32架构软件开发人员手册合并卷. https://software.intel.com/sites/default/files/managed/39/c5/325462-sdm-vol-1-2abcd-3abcd.pdf

[2] The Definitive Guide to Linux System Calls. https://blog.packagecloud.io/eng/2016/04/05/the-definitive-guide-to-linux-system-calls/#32-bit-fast-system-calls

[3] Linux 2.6 对新型 CPU 快速系统调用的支持. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-k26ncpu/index.html

[4] vsyscalls and vDSO. https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/SysCall/linux-syscall-3.html

[5] Linux系统调用过程分析. https://www.binss.me/blog/the-analysis-of-linux-system-call/

[6] Fix-Mapped Addresses and ioremap. https://0xax.gitbooks.io/linux-insides/content/MM/linux-mm-2.html

[7] 王宗涛. Linux快速系统调用实现机制分析. TP316.81

[8] linux下系统调用的实现. https://www.pagefault.info/2010/10/09/implementation-of-system-call-under-linux.html