[翻译]使用Rust进行系统编程 - part1

2023-3-16 16:36 7605

[翻译]使用Rust进行系统编程 - part1

pureGavin

2023-3-16 16:36

7605

在2020年五月份，我开始了一个系列文章——如何编写一个简单的fuzz；随着开发的进行，我遇到了一个很严重的问题——我是否还要继续用Python作为开发fuzz工具的语言。
不得不说Python的确是一门简单的语言，学习和使用都毫无压力，但也有一些缺点；首先我使用的是一个第三方的ptrace库，这个库本身代码没问题，有问题的是运行速度和并发问题。这些问题可能会毁掉我目前所有的工作成果，于是我决定使用Rust继续并重写这个项目，然而这又引发了另一个问题——我不会Rust。
尽管如此，我还是决定从陪产假中抽身，学习一些项目，并同时学习Rust

Rust里的系统编程

我向来喜欢分享，尤其是分享当初自己在网上无论如何都无法找到的内容时。提到系统编程，目前网上并没有特别好的项目或文章来讲述如何将C语言中得到的灵感转化为更高效的Rust代码。因此，我决定在此分享如何在Rust中使用fork和ptrace。

如何使用fork（叉子）吃饭

在这个项目中，我会先写一个空的代码骨架，并以循序渐进的方式介绍某些概念。我们需要用到两个第三方库，nix和linux-personality；第一个是Rust与各种nix API绑定的集合，第二个将允许我们为子进程禁用ASLR。

fn main() {
    // breakpoints to set
    let breakpoints: [u64; 1] = [0x8048451]; 
 
    match unsafe{fork()} {
 
        Ok(ForkResult::Child) => {
            run_child();
        }
 
        Ok(ForkResult::Parent {child}) => {
            run_parent(child, &breakpoints);
        }
 
        Err(err) => {
            panic!("[main] fork() failed: {}", err);
        }
    };
}

生成一个子进程非常简单——你只需要调用fork()函数，然后匹配到三个分支条件的其中一个。值得注意的是，Rust认为fork是一个不安全的操作，但里面的代码不需要标记为不安全。
这实际上是Rust的一个十分优秀的特性，即匹配必须是详尽的——这样我们就不会忘记任何可能性，也不会引入一些奇怪的情况。

带来ptrace

下一个模块是只在子进程中运行的函数

// Code that runs only for child
fn run_child() {
    // Allows process to be traced
    ptrace::traceme().unwrap();
 
    // Disable ASLR for this process
    personality(linux_personality::ADDR_NO_RANDOMIZE).unwrap();
 
    // Execute binary replacing
    Command::new("/home/carstein/sample").exec();
 
    exit(0);
}

这里只有三个指令：第一个指令告诉内核，子进程变得可追踪；我知道我应该在这里更好的处理错误，但你现在只需要知道的是unwrap()函数和这条指令的执行返回结果，如果报错了，我们只能panic（此处译者也不知道如何翻译更好）
第二条指令很明显——我们为子进程禁用ASLR
最后是一个处理进程生成和参数传递的便捷函数——Command::new()。请记住，虽然spawn()方法会分叉并创建一个新的进程，但exec()将运行命令以替换当前的子进程的代码。

如何为人父母

现在来看最大的那部分代码——父进程执行的那部分代码

// Code that runs only for parent
fn run_parent(pid: Pid, breakpoints: &[u64]) {
    let mut saved_values = HashMap::new();
 
    // Placing breakpoints
    wait().unwrap();
    for addr in breakpoints.iter() {
        let orig = set_breakpoint(pid, *addr);
        saved_values.insert(*addr, orig);
    }
    ptrace::cont(pid, None).expect("Failed continue process");
 
    loop {
        match wait() {
            Ok(status) => {
                match status {
                    WaitStatus::Stopped(pid_t, sig_num) => {
                        match sig_num {
                            Signal::SIGTRAP => {
                                handle_sigstop(pid_t, &saved_values);
                            }
 
                            Signal::SIGSEGV => {
                                let regs = ptrace::getregs(pid_t).unwrap();
                                println!("Segmentation fault at 0x{:x}", regs.rip);
                                break
                            }
                            _ => {
                                println!("Some other signal - {}", sig_num);
                                break
                            }
                        }
 
                    },
                    WaitStatus::Exited(pid, exit_status) => {
                        println!("Process with pid: {} exited with status {}", 
                                            pid, exit_status);
                        break;
                    },
 
                    _ => {
                        println!("Received status: {:?}", status);
                        ptrace::cont(pid, None).expect("Failed to deliver signal");
                    }
                } 
            }
 
            Err(err) => {
                println!("Some kind of error - {:?}",err);
 
            },
        }
    }
}

代码有三个主要部分：刚开始，我们使用wait()函数等待子进程通知我们他刚刚被加载并准备好被追踪，我们利用这个机会放置一些断点——其实只放了一个；关于如何放置断点，我们后面再说。
一旦设置了断点，我们就可以通过trace::cont()指示子进程继续执行直到下一个中断。
需要注意的是，还有其他方法可以达到同样的效果；两个最常见的方法是通过调用ptrace::step()进行单步操作，或者通过调用trace::syscall()直到下一个系统调用。
接下来我们会进入一个循环，等待子进程改变其状态，一旦发生变化，我们就通过匹配状态检查过渡的性质，并做出相应的反应——如果子进程被停止，我们就检查原因；如果进程退出，我们就打破循环，同时终止父进程。为了简单起见，我决定暂不实现所有可能的状态。

如何处理你的子进程

当子进程停止时，WatiStatus会好心的告诉我们是什么信号导致的，我们会使用内部匹配语句相应的处理每种情况。
我对Rust的模式匹配语句还不是很了解，但我感觉这段代码应该可以简化，减少嵌套。
下面的代码处理的是特殊情况，即我们真的碰到了我们设置的断点并希望正确的处理它

fn handle_sigstop(pid: Pid, saved_values: &HashMap<u64, i64>) {
    let mut regs = ptrace::getregs(pid).unwrap();
    println!("Hit breakpoint at 0x{:x}", regs.rip - 1);
 
    match saved_values.get(&(regs.rip - 1)) {
        Some(orig) => {
            restore_breakpoint(pid, regs.rip - 1, *orig);
 
            // rewind rip
            regs.rip -= 1;
            ptrace::setregs(pid, regs).expect("Error rewinding RIP");
 
        }
        _ => print!("Nothing saved here"),
    }
 
    ptrace::cont(pid, None).expect("Restoring breakpoint failed");
 
}

如果终止发生在我们之前放置断点的地方，我们就用原始指令操作码将其删除，并将指令指针回退一个以继续执行。

无聊的断点

放置和恢复断点分别由两个独立的函数完成

fn set_breakpoint(pid: Pid, addr: u64) -> i64 {
    // Read 8 bytes from the process memory
    let value = ptrace::read(pid, addr as *mut c_void).unwrap() as u64;
 
    // Insert breakpoint by write new values
    let bp = (value & (u64::MAX ^ 0xFF)) | 0xCC;
 
    unsafe {
        ptrace::write(pid, addr as *mut c_void, bp as *mut c_void).unwrap();
    }
 
    // Return original bytecode
    value
}

为了插入断点，我们使用ptrace读取八个字节的指令操作码并将第一个替换为0xCC；然后，我们覆写修改后的字节码，并将原始字节码传递给调用函数进行保存。
如果你很好奇软件断点是如何工作的，请阅读我之前的博客文章
下面是删除断点的代码

fn restore_breakpoint(pid: Pid, addr: u64, orig_value: i64) {
    unsafe {
        // Restore original bytecode
        ptrace::write(pid, addr as *mut c_void, orig_value as *mut c_void).unwrap();
    }
}

在这两种情况下，唯一棘手的部分是ptrace::read和ptrace::write需要表示为c_void的原始指针，因此我们需要用强制转换来获取它；此处操作需要谨慎，因为当你想要搬起石头砸自己脚的时候，Rust不会保护你 :p

总结

第一次接触Rust还是挺有趣的；我在将一些C语言的概念翻译成Rust时遇到了一些小问题，缺乏文档也是困难之一，不过无论如何，我都非常喜欢Rust。
到目前为止，Rust相比于C可以返回更多有用的信息，所以你不必使用奇怪的宏来提取某些准确的状态；另外，在Rust中也可以使用匹配，这也可以帮你写出更简洁的代码。
代码在GitHub上可以找到

译者言

因本人翻译水平有限，如有错误之处，请斧正
原文链接

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#基础知识

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ＰＥＤＩＹ雪币： 1783 活跃值： (5184) 能力值： ( LV2，RANK：10 ) 在线值：发帖 49 回帖 221 粉丝 4 关注私信	ＰＥＤＩＹ 2023-3-19 01:11 2 楼 1 调用个“getmodulehandleA/W”你rust字符串都不能直接用. 调用十万二十万次含字符串参数的API, 光你转换字符串为A字符串或W字符串的浪费的时间和CPU算力, 人家早比你多循环几万次了
pureGavin 雪币： 12040 活跃值： (15364) 能力值： ( LV12，RANK：240 ) 在线值：发帖 64 回帖 1336 粉丝 201 关注私信	pureGavin 2 2023-3-19 16:16 3 楼 0 ＰＥＤＩＹ调用个“getmodulehandleA/W”你rust字符串都不能直接用. 调用十万二十万次含字符串参数的API, 光你转换字符串为A字符串或W字符串的浪费的时间和CPU算力, 人家早比你多循环几万 ... 不知你是否注意到，这是翻译文章，如果有任何问题，请和原作者沟通
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