【网络安全】Linux内核部分文件分析

安全白板
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前言

对于操作系统的分析，是一个复杂且枯燥的过程，其中包括中断、调用等一系列的问题，需要从原理和代码两层的角度进行分析，包含汇编、C语言等较为难理解的知识，以及算法的思维。

【学习资料】

启动流程

setup模块扇区长度为4个扇区，各个模块存放在内存的地址。

这里的ROOT_DEV=0x306表示第二个硬盘的第一个扇区。

基础

设备号 = 主设备号 * 256 + 次设备号

主设备号是定义好的：

1-内存

2-磁盘

3-硬盘

PC机的BIOS把bootsect的一个固定地址拿到了内存中某个固定地址（0x90000），

并且进行硬件初始化和参数设置。

bootsect中的代码首先移动到0X7C00，之后又转移到0X90000。

代码分析

bootsect模块移入内存

start:mov  ax,#BOOTSEGmov  ds,axmov  ax,#INITSEGmov  es,axmov  cx,#256sub  si,sisub  di,direpmovwjmpi  go,INITSEG

把bootsect中代码移动到内存中0X90000中，

可以看到此时的ds 存储0x07c0   地址：es 0x90000。

利用寄存器从ds：si到es：di

jmpi  go,INITSEG

INITSEG是段地址，go是偏移地址，跳转到程序执行的地方（0x90000）。

bootsect.s作用

1.首先加载bootsect的代码（磁盘引导块程序，在磁盘中第一个扇区的程序）

2.将setup.s中代码加载到bootsect.s中代码之后

3.将system模块加载到0x10000地方，最后跳转到setup.s中运行

栈的位置

go:  mov  ax,csmov  ds,axmov  es,ax! put stack at 0x9ff00.mov  ss,axmov  sp,#0xFF00    ! arbitrary value >>512

设置ds、es、ss、sp

对栈的设置  es：sp  =0x90000：0xff00

setup模块移入内存

load_setup:mov dx,#0x0000 ! drive 0, head 0//驱动器号0；磁头号0mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0//起始扇区2；磁道0mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEGmov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectorsint 0x13 ! read itjnc ok_load_setup ! ok - continuemov dx,#0x0000mov ax,#0x0000 ! reset the disketteint 0x13j load_setup

setup模块加载到0x90200中。

setup.s作用

  • 解析BIOS传递过来的参数；
  • 设置系统内核运行的局部描述符，中断描述寄存器，全局描述符；
  • 设置中断控制芯片，进入保护模式；
  • 跳转到system模块中head.s中代码执行。

system模块移入内存

! we want to load the system (at 0x10000)mov  ax,#SYSSEGmov  es,ax    ! segment of 0x010000call  read_itcall  kill_motor

把system模块加载0x10000处，

关闭驱动器。

head.s作用

  • 加载内核运行时的各种数据段寄存器，重新设置中断描述表；
  • 开启内核正常运行时的协处理器；
  • 设置内存管理的分页机制；
  • 跳转到main.c开始运行。

中断调用：

有出错号、无出错号

中断范围：

int0 ~ int255。

int0 ~ int31 : 软件中断，由Intel固定设置的。

int32 ~ int255: 可由用户自己设置。其中int32 ~ int47 对应8259A的IRQ0 ~ IRQ15中断。

特殊的一个：int128 为系统调用中断（system_call）。

int7 -- 设备不存在。

int14 -- 页错误。

int16 -- 协处理器错误。

int 0x20 -- 时钟中断。

int 0x80 -- 系统调用。

asm.s分析

寄存器入栈：

no_error_code:xchgl %eax,(%esp)pushl %ebxpushl %ecxpushl %edxpushl %edipushl %esipushl %ebppush %dspush %espush %fs

异常码入栈：

pushl $0 # "error code"

函数返回值入栈：

lea 44(%esp),%edx  //把中断的地方压栈pushl %edxmovl $0x10,%edxmov %dx,%dsmov %dx,%esmov %dx,%fs

调用中断服务函数：

call *%eax    //调用中断打印函数

出栈函数返回值：

addl $8,%esp  //函数参数出栈pop %fspop %espop %dspopl %ebppopl %esipopl %edipopl %edxpopl %ecxpopl %ebxpopl %eaxiret

error_code:

xchgl %eax,4(%esp) # error code <-> %eax    //中断错误码xchgl %ebx,(%esp) # &function <-> %ebx        //中断函数pushl %ecxpushl %edxpushl %edipushl %esipushl %ebppush %dspush %espush %fspushl %eax # error code   //出错号入栈lea 44(%esp),%eax # offsetpushl %eaxmovl 0x10,0x10,8,%esp pop %fspop %espop %dspopl %ebppopl %esipopl %edipopl %edxpopl %ecxpopl %ebxpopl %eaxiret

trap.c分析

本程序用来处理硬件陷阱和故障。

asm.s和traps.c 两个程序文件的关系：

asm.s 是汇编文件，主要实现大部分硬件中断（异常）引起的中断处理过程；trap.c 是C语言源文件，内部是各种中断处理的C函数，这些函数在asm.s中进行调用。

GCC编译过程：

1.预处理阶段

2.编译阶段

3.汇编阶段

4.链接阶段

setup模块移入内存

load_setup:mov dx,#0x0000 ! drive 0, head 0//驱动器号0；磁头号0mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0//起始扇区2；磁道0mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEGmov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectorsint 0x13 ! read itjnc ok_load_setup ! ok - continuemov dx,#0x0000mov ax,#0x0000 ! reset the disketteint 0x13j load_setup

setup模块加载到0x90200中。

setup.s作用

  • 解析BIOS传递过来的参数；
  • 设置系统内核运行的局部描述符，中断描述寄存器，全局描述符；
  • 设置中断控制芯片，进入保护模式；
  • 跳转到system模块中head.s中代码执行。

system模块移入内存

! we want to load the system (at 0x10000)mov  ax,#SYSSEGmov  es,ax    ! segment of 0x010000call  read_itcall  kill_motor

把system模块加载0x10000处，

关闭驱动器。

head.s作用

  • 加载内核运行时的各种数据段寄存器，重新设置中断描述表；
  • 开启内核正常运行时的协处理器；
  • 设置内存管理的分页机制；
  • 跳转到main.c开始运行。

中断调用：

有出错号、无出错号

中断范围：

int0 ~ int255。

int0 ~ int31 : 软件中断，由Intel固定设置的。

int32 ~ int255: 可由用户自己设置。其中int32 ~ int47 对应8259A的IRQ0 ~ IRQ15中断。

特殊的一个：int128 为系统调用中断（system_call）。

int7 -- 设备不存在。

int14 -- 页错误。

int16 -- 协处理器错误。

int 0x20 -- 时钟中断。

int 0x80 -- 系统调用。

asm.s分析

寄存器入栈：

no_error_code:xchgl %eax,(%esp)pushl %ebxpushl %ecxpushl %edxpushl %edipushl %esipushl %ebppush %dspush %espush %fs

异常码入栈：

pushl $0 # "error code"

函数返回值入栈：

lea 44(%esp),%edx  //把中断的地方压栈pushl %edxmovl $0x10,%edxmov %dx,%dsmov %dx,%esmov %dx,%fs

调用中断服务函数：

call *%eax    //调用中断打印函数

出栈函数返回值：

addl $8,%esp  //函数参数出栈pop %fspop %espop %dspopl %ebppopl %esipopl %edipopl %edxpopl %ecxpopl %ebxpopl %eaxiret

error_code:

xchgl %eax,4(%esp) # error code <-> %eax    //中断错误码xchgl %ebx,(%esp) # &function <-> %ebx        //中断函数pushl %ecxpushl %edxpushl %edipushl %esipushl %ebppush %dspush %espush %fspushl %eax # error code   //出错号入栈lea 44(%esp),%eax # offsetpushl %eaxmovl 0x10,0x10,8,%esp pop %fspop %espop %dspopl %ebppopl %esipopl %edipopl %edxpopl %ecxpopl %ebxpopl %eaxiret

trap.c分析

本程序用来处理硬件陷阱和故障。

asm.s和traps.c 两个程序文件的关系：

asm.s 是汇编文件，主要实现大部分硬件中断（异常）引起的中断处理过程；trap.c 是C语言源文件，内部是各种中断处理的C函数，这些函数在asm.s中进行调用。

GCC编译过程：

1.预处理阶段

2.编译阶段

3.汇编阶段

4.链接阶段

给MKTIME函数传来的时间结构体赋值是由初始化时间从RTC中读出的：

#include <time.h>/** This isn't the library routine, it is only used in the kernel.* as such, we don't care about years<1970 etc, but assume everything* is ok. Similarly, TZ etc is happily ignored. We just do everything* as easily as possible. Let's find something public for the library* routines (although I think minix times is public).*//** PS. I hate whoever though up the year 1970 - couldn't they have gotten* a leap-year instead? I also hate Gregorius, pope or no. I'm grumpy.*/#define MINUTE 60#define HOUR (60*MINUTE)#define DAY (24*HOUR)#define YEAR (365*DAY)/* interestingly, we assume leap-years */static int month[12] = {0,DAY*(31),DAY*(31+29),DAY*(31+29+31),DAY*(31+29+31+30),DAY*(31+29+31+30+31),DAY*(31+29+31+30+31+30),DAY*(31+29+31+30+31+30+31),DAY*(31+29+31+30+31+30+31+31),DAY*(31+29+31+30+31+30+31+31+30),DAY*(31+29+31+30+31+30+31+31+30+31),DAY*(31+29+31+30+31+30+31+31+30+31+30)};long kernel_mktime(struct tm * tm){long res;int year;year = tm->tm_year - 70;/* magic offsets (y+1) needed to get leapyears right.*/res = YEAR*year + DAY*((year+1)/4);res += month[tm->tm_mon];/* and (y+2) here. If it wasn't a leap-year, we have to adjust */if (tm->tm_mon>1 && ((year+2)%4))res -= DAY;res += DAY*(tm->tm_mday-1);res += HOUR*tm->tm_hour;res += MINUTE*tm->tm_min;res += tm->tm_sec;return res;}

main.c中time_init

static void time_init(void){struct tm time;do {time.tm_sec = CMOS_READ(0);time.tm_min = CMOS_READ(2);time.tm_hour = CMOS_READ(4);time.tm_mday = CMOS_READ(7);time.tm_mon = CMOS_READ(8);time.tm_year = CMOS_READ(9);} while (time.tm_sec != CMOS_READ(0));BCD_TO_BIN(time.tm_sec);BCD_TO_BIN(time.tm_min);BCD_TO_BIN(time.tm_hour);BCD_TO_BIN(time.tm_mday);BCD_TO_BIN(time.tm_mon);BCD_TO_BIN(time.tm_year);time.tm_mon--;startup_time = kernel_mktime(&time);}

从硬件中读出来的参数转化为时间，存入到全局变量中，为JIFFIES所用。

小结

内核源码的时间片设计是很精妙的，对操作系统的分析同时也需要计算机组成原理的知识，硬件的理解以及利用算法如何更好的为用户和上层软件服务。

最后

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