2020q1 第 12 週測驗題

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目的: 檢驗學員對 Linux 記憶體管理、memfd 和 epoll 系統呼叫的認知

作答表單

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測驗 1

在 你所不知道的 C 語言：連結器和執行檔資訊 提過 ELF 執行檔格式，更多資訊可見 Executable and Linkable Format，以 64 位元 ELF 來說，開頭的幾個位元組的意義:

offset	size	Purpose
0x00	4	0x7F followed by ELF(45 4c 46) in ASCII; these four bytes constitute the magic number.
0x04	1	This byte is set to either 1 or 2 to signify 32- or 64-bit format, respectively.
0x05	1	This byte is set to either 1 or 2 to signify little or big endianness, respectively. This affects interpretation of multi-byte fields starting with offset 0x10.
x06	1	Set to 1 for the original and current version of ELF.
…	…	…待續…

以下程式碼嘗試在既有的 ELF 檔案內嵌另一個 ELF 檔案 (可預先加密)，目的是隱匿特定的程式，避免被掃毒程式或防火牆偵測出來，或將高價值的程式嵌入到文件、圖片，甚至是影音檔案中，透過特定的載入器自檔案提取出執行檔並執行，這手法在 Digital rights management (DRM) 和 Digital watermarking 領域不算少見。

假設即將被嵌入的程式碼名為 payload.c:

#include <stdio.h>                          
int main() { puts("Hello world!"); return 0; }

編譯並移去除錯用的符號:

$ gcc -Os payload.c -o payload
$ strip -s payload

接著我們要開發得以載入 ELF 的程式，在這之前，先探討以下函式及系統呼叫:

• memfd_create: 詳見 解析 Linux 共享記憶體機制 一文
• memmem: GNU extension，在給定的記憶體範圍找到「非」C-style 字串 (仍為連續記憶體)
• fexecve: 類似 execve 系統呼叫，但由給定的 file descriptor 載入程式並執行

假定程式載入器檔名為 loader.c，內容如下:

/* A program that executes a second (embedded) ELF */

#define _GNU_SOURCE
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

/* No glibc wrappers exist for memfd_create(2), so provide our own. */
#include <sys/syscall.h>
static inline int memfd_create(const char *name, unsigned int flags)
{
    return syscall(__NR_memfd_create, name, flags);
}

/* ELF format
 * https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
 */
static bool valid_elf(char *ptr)
{
    return (ptr[4] == 1 || ptr[4] == 2) /* offset 0x4: 32/64-bit format */ &&
           (ptr[5] == 1 || ptr[5] == 2) /* offset 0x5: endianness */ &&
           (ptr[6] == 1); /* offset 0x6: current version */
}

int main(int argc, char *argv[], char **envp)
{
    int pid = getpid();
    int ret = 0;

    char proc_path[32];
    sprintf(proc_path, "/proc/%d/exe", pid);
    int filedesc = open(proc_path, O_RDONLY);
    if (filedesc < 0) {
        printf("Invalid file descriptor for /proc: %d\n", filedesc);
        return -1;
    }

    /* Find the size of this executable */
    struct stat st;
    stat(proc_path, &st);
    size_t size = st.st_size;

    char *entirefile = malloc(size);
    if (!entirefile) {
        printf("Insufficient memory.\n");
        return -2;
    }

    read(filedesc, entirefile, size);
    close(filedesc);

    /* find the second ELF header, which 52 or 64 bytes long for 32-bit and
     * 64-bit binaries respectively.
     */
    const char elf_magic[] = {0x7F, 'E', 'L', 'F'};
    char *newelf = memmem(entirefile + 52, size - 52, elf_magic, 4);
    if (newelf && !valid_elf(newelf)) /* forcely find again for real ELF */
        newelf = memmem(newelf + 6, size - (intptr_t) newelf - 6, elf_magic, 4);
    if (!newelf || !valid_elf(newelf)) {
        printf("No second ELF header found.\n");
        ret = -3;
        goto cleanup;
    }

    int newsize = AAA;
    int memfd = memfd_create("hidden", 0);
    if (memfd < 0) {
        printf("Invalid memfd.\n");
        ret = -4;
        goto cleanup;
    }

    /* Write ELF to temporary memory file */
    write(memfd, newelf, newsize);

    // Deploy the payload as a different process
    fork();
    if (BBB) {
        ret = fexecve(memfd, argv, envp); /* Execute the in-memory ELF */
        /* The above will only return if there is an error. */
        printf("Fail to execute payload. ret=%d (%s)\n", ret, strerror(errno));
    }

cleanup:
    free(entirefile);
    return ret;
}

編譯、嵌入上述 payload 執行檔，然後再執行: (你沒看錯，真的用 cat 命令)

$ gcc -Wall loader.c -o loader
$ cat payload >> loader
$ ./loader

在 x86_64 GNU/Linux (核心版本: 4.15+) 預期輸出為:

Hello world!

注意：只有一行 "Hello world!" 字串

請補完程式碼，只要考慮 x86_64 硬體架構即可。

作答區 (注意: 複選題，儘量選取有效的答案)

AAA = ?

• (a) newelf - entirefile
• (b) size - newelf
• (c) entirefile - newelf
• (d) size - newelf - entirefile
• (e) size - newelf + entirefile
• (f) newelf - entirefile + size
• (g) entirefile - newelf - size

size - (newelf - entirefile)

BBB = ?

• (a) getpid()
• (b) getpid() != pid
• (c) getpid() == pid
• (d) 0
• (e) 1

延伸問題:

1. 解釋上述程式碼運作原理，指出其中不足處並改進;
2. 參照 Embedding binary data in executables 和 incbin，將 payload 加密並嵌入到給定的 C 程式中，允許在執行時期解密再載入 payload 並執行
3. 學習 Digital rights management (DRM) 手法，實作一個電子書程式，將特定的文字檔案加密再嵌入於執行檔中，只有在特定的機器 (例如偵測 MAC address) 才能開啟閱讀，過程中不會在檔案系統出現明文的文字檔案暫存檔。

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測驗 2

考慮以下是向 libev 致敬的 event loop 實作，預期執行輸出如下:

Test: oneshot timer
callback called
Test: periodic timer
callback timer periodic called 5
callback timer periodic called 4
callback timer periodic called 3
callback timer periodic called 2
callback timer periodic called 1
run timer cancel test ... passed
Test: raw events

原始程式碼 ev.c 包含註解和單元測試程式。

編譯選項: -O2 -std=gnu99

預先學習的 API:

• timerfd_create
• signalfd

請依據預期執行輸出，補完程式碼。

作答區 (單選)

CCC = ?

• (a) 0
• (b) 1

DDD = ?

• (a) 0
• (b) 1

EEE = ?

• (a) 0
• (b) 1

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