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    Construindo seu debugger - Parte 2: Forks

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    Candeer

    Olá! No artigo anterior falamos sobre Signals, que é de suma importância para a comunicação entre processos, mas para construir o nosso debugger precisamos muito mais do que apenas isso, precisamos de fato ter total controle sobre um dado processo e se possível controlar até o seu própio início.

    Neste artigo será explicado o que são forks e seu uso em desenvolvimento de aplicações em sistemas UNIX. Sem mais delongas, vamos prosseguir!!!😀

    Resumidamente a syscall fork é usada para a duplicação e criação de um processo. Quando um dado processo chama a função fork(), é criada uma cópia idêntinca de seus dados. Note que apenas uma cópia é feita, o processo filho não compartilha o mesmo espaço de memória do pai.

    A syscall fork retorna um PID que é usado para indetificar em qual processos estamos e também dar acesso ao ID do processo filho. Caso o PID seja 0 estamos executando no filho, caso seja qualquer outro somos o processo pai, isso ocorre pois o pai precisa saber o PID do filho, mas o filho não necessariamente precisa saber o seu própio (da mesma maneira que o seu processo não sabe o própio PID ao menos que o mesmo peça).

    Algo interessante de se notar é que os Init System usados para subir e gerenciar serviços de sua máquina trabalham dessa mesma maneira, você pode checar sua árvore de processo usando comando pstree:

    $ pstree

    Dessa maneira você tem uma representação bem visual de como está dividida a sua estrutura de processos 😀. Note que todos os processos são filhos do seu Init system (seja ele SystemV, Systemd, etc). Aconselho você explorar o comando pstree para uma visão bem mais detalhada do seu sistema! Outra abordagem é usar o própio comando ps:

    $ ps -ef

    Rode o comando acima (dependendo da quantidade de processos use um pipe para o less 😉) e com ele teremos uma visão mais detalhada. A coluna PID representa o ID do processo em si e a coluna PPID representa o "Parent Process ID", que nada mais é que o ID do processo pai. Note que o PID 1 é o seu Init System e os seus processos rodam como filho dele!


    Vale notar que o processo Pai do própio init é o PID 0, que é conhecido como "swapper" ou "scheduler", que é o processo responsavel para realização de paging. Paging é o sistema de gerenciamento de memória que salva os dados da RAM em uma memória secundária (HD, SSD e etc) e recupera em formato de páginas (outros PID também são filhos do propio PID 0 como PID 2 que gerencia todas as threads que rodam em Kernel Land(KThread) etc).

     

    Programando Forks

    A syscall fork está na lib  <unistd.h> (Unix Standard library) e tem a seguinte construção:

    #include <sys/types.h>
    #include <unistd.h>
    
    
    pid_t fork(void);

    Precisamos incluir a lib <sys/types.h> para que seja possivel acessar o tipo pid_t. A função fork não espera nenhum parâmetro para a sua construção e o código abaixo demonstra o quão simples é cria um fork.

    #include <stdio.h>
    
    // Acesso a syscall
    #include <unistd.h>
    
    
    // Acesso ao tipo variavel pid_t
    #include <sys/types.h>
    
    
    int main(void)
    {
        int x;
    
        printf("Processo normal...\n");
        printf("Forking...\n");
        sleep(5);
        
        pid_t pid = fork();
        x = 40;
    
        if (pid == 0) {
            printf("Eu sou o processo filho meu PID: %d\n", pid);
        }
        
        else {    
            printf("Eu sou o processo pai de %d\n", pid);
        }
    
        
        sleep(5);
        return 0;
    }

    Compile o código acima da seguinte forma:

    $ gcc -o fork fork.c
    $ ./fork

    Note que o código se "divide" a partir da chamada fork e um if  é usado para saber se estamos executando no pai ou no filho, note também que o pai sabe o PID e o filho não.

    Para melhor visualização o código acima roda por 10 segundos (por conta da chamada ao sleep com esse tempo de espera). Abra um outro terminal e rode o comando:

    $ watch -n1 pstree

    O comando acima vai executar o pstree a cada 1 segundo, desta forma você verá o exato momento da criação do fork.


    Comunicando-se com o processo fork

    Agora imagine que um  processo precisa esperar o seu filho terminar algum trabalho e dependendo do seu sinal o processo pai realiza alguma ação. A comunicação entre o processo pai e o filho se da por signals. O pai pode saber exatamente o estado do seu processo filho usando a syscall wait e waitpid, ambas na lib <sys/wait.h>:

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    
    pid_t wait(int *status);
    
    pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

    A syscall wait espera que ao menos 1 de seus processos filho troque de estado, já a waitpid espera por um processo específico. Como sabemos exatamente qual processo queremos rastrear iremos usar esta call 😀:

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/wait.h>
    #include <unistd.h>
    
    
    
    int main(void) {
        
        printf("Spliting work...\n");
    
    
        pid_t pid = fork();
    
    
        if (!pid) {
            int a = 0;
            for(int i = 0; i < 100000000; i++ ) {
                a += i*2 + 10 *i;
            }
    
            return 9;
        }             
    
        int status;
        int signal;
        printf("Waiting child finish work...\n");
    
        waitpid(pid, &status, 0);
    
        
        if (WIFEXITED(status)) {
            signal = WEXITSTATUS(status);
            printf("Child exited, status = %s\n", strsignal(signal));
        }
            
        return 1;
    
    }

    Compile o código acima e execute:

    $ gcc -o work work.c
    $ ./work
    Spliting work...
    Waiting child finish work...
    Child exited, status = Killed

    Veja que após a chamada de fork nosso processo filho executa várias iterações e realiza um cálculo (um cálculo totalmente randômico) e após isso retorna 9. Este retorno em questão é apenas por motivos educativos (no artigo anterior falamos de sinais e como eles funcionam). O processo pai usa a syscall waitpid para esperar que qualquer signal seja enviada do pid especificado. Após receber um status é verificado se o fork saiu (WIFEXITED) e se sim, pegamos o signal enviado usando WEXITSTATUS(status da saída) e usamos a chamada strsignal(provida pela string.h) para recuperar uma versão em texto do signal. Nesse caso iremos recuperar o signal "KILLED", pois colocamos 9 apenas por razões educativas.

    Normalmente se tudo ocorreu bem colocamos 0 (inclusive é dessa maneira que sua shell avalia se o programa rodou certo).

    $./work && echo "Filho saiu com 0, tudo certo..."  || echo "Filho saiu com 1, algo errado..."

    No caso acima a nossa shell irá criar um fork do nosso work, executar o nosso programa (que por sua vez também executa um fork mas não entra em questão aqui) e se o signal retornado pelo fork for 0 ele imprime uma mensagem, caso contrario ele imprime uma mensagem de erro, dessa maneira você pode orquestrar um shell scripting usando o própio retorno do processo 😉

    Tente mudar o retorno do fork acima e verifique seu status usando funções providas pela <sys/wait.h>. No exemplo acima usamos apenas a call WIFEXITED e WEXITSTATUS, mas existem várias outras.

    Forks são de extrema importância para criação e gerenciamento de processos e iremos usar forks para que seja possível executar o programa que queremos debugar, dessa maneira o software em questão vai ser filho do nosso debugger, o que nós da total controle sobre o mesmo.

    Comentarios são todos bem vindos e todos os códigos usados estão disponíveis no github! 😀


    Links úteis:

        Process Control
        fork
        wait
        Process State
        Fork Bomb - Cuidado com isso

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    • By kassane
      Olá pessoal, tudo bem?
      Creio que a maioria já sabem sobre  software reverse engineering(SRE) publicado pelo NSA's Research Directorate.
      Pois já existe uma comunidade voltada para esta ferramenta específica com um crescimento massivo, inclusive até mesmos curiosos desconfiados.
      Fontes de informações disponíveis:
      Ghidra -Download Release Notes Installation Guide Issues Tracker Community Collection Cheat Sheet - PDF API Documentation Decompiler Documentation Online Courses Getting Started Scripts Wiki IDA PRO database to Ghidra Plugins:
      GDBGhidra Ghidra Firmware Utils Function Tracer x64dbg-ghidra ret-sync (It's a set of plugins that help to synchronize a debugging session (WinDbg/GDB/LLDB/OllyDbg/OllyDbg2/x64dbg) with IDA disassembler.) Dragon Dance Launch WinAFL Go tools - Ghidra Ghidra Decompiler pyscript IDA keybindings to Ghidra or IDA2Ghidra-kb  
    • By Candeer
      Olá, já faz um bom tempo desde do ultimo artigo sobre a construção de debuggers mas, sem mais delongas, vamos dar continuidade a esta série! 😀 
      Neste artigo iremos falar um pouco sobre uma chamada de sistema que é capaz de controlar quase todos os aspectos de um processo: a syscall PTRACE (process trace). Antes de continuarmos, vale ressaltar que todo o código utilizado neste artigo está disponível no repositório do Github.
      De acordo com o manual do Linux (man ptrace), a syscall ptrace é definida assim:
      "A syscall ptrace provê meios para que um processo (denominado "tracer") possa observar, controlar a execução de um outro processo (denominado "tracee"), examinar e modificar a memória e registradores do "tracee". É primariamente utilizado para a implementação de 'breakpoint debugging' e para rastreamento de syscalls".
      Em outras palavras, podemos utilizar a ptrace para controlar um outro processo sobre o qual termos permissões sobre!
      Por exemplo, execute:
      strace /bin/ls O comando "strace" acima, é utilizado para que se possa rastrear todas as syscalls que um programa realiza. Vale lembrar que toda a técnica utilizada para o rastreamento de syscalls envolve o conteúdo abordado nos artigos anteriores, então é de suma importância que você tenha lido (ou saiba) o primeiro artigo sobre Sinais e o segundo sobre Forks.
      Antes de começar a rastrear um dado comando, o strace precisa ter controle total sobre a execução do processo alvo, para isso é feito um fork do processo em questão e o mesmo é "traceado". Voltaremos neste assunto em breve.
      A wrapper da ptrace é definida em <sys/ptrace.h> e tem o seguinte protótipo:
      #include <sys/ptrace.h> long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data); Onde o primeiro argumento request é um enum onde cada valor define uma ação em cima do "tracee", tais como TRACEME, GETEREGS, SETREGS e etc. O segundo argumento, pid, é o PID (Process Identification) do processo que queremos "tracear", o terceiro argumento addr é um endereço para alguma interação que a ser realizada da memória do processo "traceado" e o quarto e último argumento data é algum tipo de dado passado para o processo.
      Agora que você ja conhece o formato desta syscall, vamos fazer um pequeno breakdown do comando "strace".
      Execute:
      strace strace /bin/ls 2>&1 | grep -A2 clone Por mais bizarro que o comando acima pareça, o que vamos fazer aqui é rastrear todas as syscalls que o strace faz usando o próprio strace! Como a saída padrão do strace não é o stdout (dê uma lida em standart streams, caso esteja confuso) então é primeiro redirecionar a saída de erro para a saída padrão, para que seja possível rodar o grep no que queremos.
      Estamos buscando aqui, alguma chamada a syscall clone, que é sempre chamada quando é feito um fork. A chamada à ptrace vem logo em seguida:
      clone(child_stack=NULL, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f7c4aa8ea10) = 16203 ptrace(PTRACE_SEIZE, 16203, NULL, 0) = 0 Nesse caso, o strace cria um processo filho e em seguida usa o ptrace com o argumento SEIZE para iniciar o rastreamento (tracing) de um processo sem interrompê-lo, como analisaremos em seguida. Dessa maneira o strace é capaz de interceptar cada chamada de sistema feita pelo processo!
      Dê uma olhada no comando ltrace, que diferente do strace, rastreia todas as chamadas à bibliotecas (libraries trace) e tente fazer o mesmo que fizemos acima!
      Algumas ações notáveis que podemos fazer com a ptrace:
      PTRACE_PEEKTEXT, PTRACE_PEEKDATA Ler uma word em um dado endereço. PTRACE_POKETEXT, PTRACE_POKEDATA Copiar uma word para um determinado endereço (injete dados na memória). PTRACE_GETREGS Ler os registradores de um processo, que será guardado na struct user_regs_struct em <sys/user.h>. PTRACE_SETREGS Escrever nos registradores de um processo (também no formato da struct acima). Execute "man ptrace" para uma abordagem mais detalhadas de todos os valores disponíveis. 👍
       
      Implementando um simples tracer
      Agora que já temos uma base de forks e uma ideia de como o ptrace funciona, podemos unificar os dois e tenho certeza que o ptrace irá ficar mais claro. A partir de agora ele é fundamental para a implementação do nosso debugger.
      O primeiro passo é definir o escopo de como será feito o nosso "tracer": vamos rastrear um processo que já esta sendo executado ou vamos criar um novo? Para o nosso debugger, iremos apenas criar um fork e trocar sua imagem de execução para a do programa que queremos debugar, usando uma das funções da família exec.
      Primeiro vamos usar a função execl, que faz parte do leque de funções exec (man 3 exec) que trocam a imagem do nosso processo por outra, ou seja, o nosso programa é realmente trocado por outro em uma execução.
      A função execl é definida como:
      #include <unistd.h> int execl(const char *pathname, const char *arg, ... /* (char *) NULL */); Onde o primeiro argumento pathname é caminho completo do nosso executável alvo e os demais argumentos, que podem ser vários, são os argumentos para o programa que será executado.
      Para seguir um padrão, o primeiro argumento que geralmente colocamos é o caminho do programa em questão (lembrem que no array argv a posição 0 guarda o nome do programa em si), o resto dos argumentos são opcionais e seguem no modelo de lista de argumentos que são delimitados por um argumento NULL, que geralmente usamos para finalizar a lista.
      Agora considere o seguinte exemplo:
      #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main(int argc, char* const* argv) { if (argc < 3) { printf("Usage: %s <command> <args>\n", argv[0]); return 1; } const char* command = argv[1]; char* const* args = &argv[1]; printf("First arg => %s\n", args[0]); execv(command, args); puts("Continua?\n"); return 0; } Compile com
      $ gcc -o exec exec.c $ ./exec /bin/ls -lah Este programa bem simples demonstra como a exec funciona.
      O que acabamos de criar aqui foi uma espécie de wrapper para qualquer comando: ele irá pegar o nome do comando e os seus respectivos argumentos e trocar sua execução atual pela a que você especificou.
      Note também a string "Continue?" que deveria ser impressa na tela. Esta nunca será impressa pois o nosso programa virou de fato, outro.
      Interessante, não? Usando um pouco de criatividade, podemos criar novos processos filhos combinando forks + exec, ou seja, criamos um fork do nosso processo e trocamos sua imagem por outra! Dessa maneira, por exemplo, temos total controle sobre o comando ls.
      Modificando um pouco o código acima e seguindo a ideia de forks, temos:
      #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ptrace.h> #include <unistd.h> int main(int argc, char* const* argv) { if (argc < 3) { printf("Usage: %s <command> <args>\n", argv[0]); return 1; } const char* command = argv[1]; char* const* args = &argv[1]; pid_t child_pid = fork(); // Neste ponto, todas as variaveis sao copiadas para o nosso fork // o fork NAO recebe as mesmas variaveis, apenas uma cópia ;) if (!child_pid) { // Hora de transformar nosso fork em outro programa ptrace(PTRACE_TRACEME, NULL, NULL, NULL); execv(command, args); } char in; do { puts("Iniciar processo ? [y/n]: "); in = getchar(); } while (in != 'y'); ptrace(PTRACE_CONT, child_pid, NULL, NULL); return 0; } Compile
      $ gcc -o fork_exec fork_exec. $ ./fork_exec /bin/ls O programa acima realiza os primeiros passos do nosso tracer: é passado o caminho de um programa e os argumentos para o mesmo. Com isso criamos um fork e usamos o ptrace no própio fork com o argumento TRACEME. Este parâmetro indica que o este processo será "traced" pelo seu processo pai. Em seguida trocamos a nossa execução para o nosso programa alvo. Neste momento temos total controle sobre a execução, no exemplo acima, do comando ls.
      Quando um processo inicia sua execução com TRACEME + exec, o mesmo recebe um sinal de interrupção (SIGTRAP) até que o seu processo pai indique que ele deve continuar sua execução. Por isso, o nosso processo pai, que retém o PID do processo filho, usa o ptrace com o argumento CONT para que seja enviado o signal para dar continuidade de execução.
      E depois?
      Agora toda a comunicação entre os processos pai e o filho se dará via sinais e usaremos a syscall wait constantemente.
      Lembra que definimos acima algumas funções que podemos usar em conjunto com a ptrace? Para já irmos adiantando alguns artigos, vamos fazer um programa que mostra o estado dos registradores para um processo, passo a passo. Vamos usar dois parâmetros para a ptrace: GETREGS e STEP. Segue o código:
      #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ptrace.h> #include <sys/user.h> #include <sys/wait.h> void display_regs(struct user_regs_struct* regs) {     printf("RIP: 0x%x\n", regs->rip);     printf("RBP: 0x%x\n", regs->rbp);     printf("RSP: 0x%x\n", regs->rsp); } int main(int argc, char* const* argv) {     if (argc < 2) {         fprintf(stderr, "Usage: %s <program_path>\n", argv[0]);         return 1;     }     const char* progName = argv[1];          pid_t child = fork();     if (!child) {         ptrace(PTRACE_TRACEME, NULL, NULL, NULL);         execl(progName, progName, NULL);     }          int status;     int options = 0;     int signal;     // Estrutura que mantem os registradores     struct user_regs_struct regs;     /// Capta primeiro sinal de parada do filho     waitpid(child, &status, 0);     signal = WSTOPSIG(status);     if (signal == SIGTRAP) {         printf("Processo alvo %s esperando pronto para iniciar\n\n", progName);     }          printf("Executando 10 instruções\n");     for (int i = 0; i < 10; ++i) {         printf("Passo: %d\n", i+1);         // Executa uma instrução         ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, child, NULL, NULL);         // Espera sinal do filho         waitpid(child, &status, 0);         // Copia o estado atual dos registradores         ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, &regs);         // Função local para imprimir os principais registradores         display_regs(&regs);         puts("\n\n");     }     puts("Continuando...\n");     /// Continua execução     ptrace(PTRACE_CONT, child, NULL, NULL);     waitpid(child, &status, 0);     printf("Filho saiu com %d\n", WIFEXITED(status));     return 0; }  
      Compile:
      $ gcc -o tracer tracer.c $ ./tracer /bin/ls O código acima, além de criar e rastrear o processo, executa as primeiras 10 instruções e copia os estados dos registradores em cada passo. Logo após, continua a execução do programa normalmente.
      A estrutura user_reg_struct, definida em <sys/user.h>, contém todos os registradores que estão disponíveis na sua arquitetura. O código foi escrito considerando um ambiente x86-64.
      Com o estudo da ptrace, fechamos toda a introdução para construirmos o nosso debugger de fato, que vamos começar a desenvolver no próximo artigo, incialmente com capacidade de por breakpoints, imprimir o atual estado dos registrados e executar instrução por instrução do processo.
      Qualquer dúvida ou correção sinta-se livre de por nos comentários!  😁
      Links úteis:
      Process control Process relationship Code injection with ptrace Sinais Fork Até a próxima!
    • By void_
      https://bookauthority.org/books/new-networking-books
      E aí, concordam com a lista acima? Confesso que muitos títulos me chamaram a atenção, mas antes de fazer algum movimento imprudente ($$), gostaria de ouvir alguma opinião de alguém que possa ter tido a oportunidade de ter comprado, lido, analisado, etc., um ou mais dos títulos da lista. Se alguém puder fornecer algum pdf, mesmo que seja prévia, também serei grato.
      P.S: Os livros de C e Python particularmente me interessaram...
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