一个小小指针，竟把Linux内核攻陷了！
作者丨轩辕之风O
来源丨编程技术宇宙（ID：xuanyuancoding）
怎样攻进操作系统内核？
这是一个很有意思也很硬核的问题。
黑客通过应用程序的漏洞（如Java、PHP、Apache、IE、Chrome、Adobe、office等）获得执行代码能力后，由于操作系统安全方面的设定，很多情况下都是在沙盒或者低权限进程中运行，许多操作都无法进行。要想做更多高权限的事情，黑客通常会使用工具来提权。
x86
arm
操作系统的安全防线是建立在内核至高权限掌控的基础之上，无论是杀毒软件，沙箱，还是防火墙都运行在内核态。要突破安全包围，必须获得内核级权限的执行能力，才能和这些安全防护正面PK。
我们常常听到的Android系统ROOT和iOS系统的越狱就是内核攻击的典型应用。
获得内核权限以后，攻击者可安装rootkit级木马病毒，实现文件隐藏、进程隐藏、通信隐藏等高级木马功能，对系统危害极为严重。
内核0day漏洞，在APT攻击中是核武器级别的存在，地下网络安全交易市场价值巨大。
进入内核的四种方式
实际上，我们的程序每时每刻都在往返于用户空间和内核空间，只不过这些进出的大门都被操作系统提前安排好了，进入内核后该去哪里执行什么代码，是操作系统说了算，由不得我们自己的程序做主。
从用户态空间进入内核，有四种方式：
中断：
中断分为两种：硬中断和软中断
硬中断：硬件设备向CPU发起的中断信号
软中断：CPU执行int指令触发，早期的操作系统中实现系统调用就是通过这种方式，如Windows上的 int 2e，Linux上的 int 80
不管是硬中断还是软中断，CPU遇到以后都会保留当前执行的现场上下文，进入内核去执行中断处理函数。这些函数记录在中断描述符表IDT中，由操作系统初始化系统的时候预先安排。
异常：
异常是CPU在执行指令的过程中出现的问题，如除法指令的除数为0，访问的内存地址无效等等。
异常和中断处理逻辑类似，也是通过记录在IDT中的异常处理函数来执行，同样由操作系统初始化系统的时候预先安排。
系统调用：
系统调用大家应该就很熟悉了，我们要实现文件系统访问、网络I/O、进程线程使用、内存分配释放等等行为，都需要借助操作系统提供的编程接口来实现，这些接口叫做：系统调用。
前面提到，早期的x86架构下的CPU，没有专门的系统调用机制，操作系统们都使用软中断的形式来进入内核完成系统调用。
后来，因为系统调用是一个很高频的需求，软中断的方式效率有些低下，CPU加入了专门的系统调用机制，这包括一些专用的寄存器和一些专用的系统调用指令。如sysenter(x86)、syscall(x64)、swi(arm)。
通过系统调用进入内核后，该转向哪里执行也是操作系统提前安排好了，由不得应用程序做主。
开发驱动程序：
最后一种进入内核的方式就是开发驱动程序了，但加载驱动本身就需要极高的权限，所以这一点就不详述了。
以上就是通过正规途径，让我们的程序进入内核态运行的方式，可见，一旦进入内核态，执行流就进入了操作系统提前设置好的代码，攻击者没办法胡来。
有正规途径，当然就有不正规途径，也就是通过形形色色的漏洞攻击系统内核，从而使我们的程序进入内核态执行，这也是这篇文章的重点。
下面列举一些常见的攻击手法。
零地址攻击
学过C语言的朋友都知道，零地址，也就是NULL，在C语言中代表着空指针。
一些没有经验的程序员在写一些接口函数时，往往容易忘记检查指针参数是否是NULL，而导致程序的崩溃异常。
以32位操作系统为例，进程的地址空间是：
0x00000000~0xFFFFFFFF，
在x86架构上，内存一般以4KB页面单元进行管理。
你有没有想过，如果进程的地址空间中，以零地址（也就是NULL）开始的第一个4KB页面如果被分配了，会出现什么事情？
假设在内核中，有一段代码忘记对空指针的检查，就通过这个指针来调用函数。而攻击者提前将零地址页面分配准备好数据，就像这样：
这会发生什么后果？
后果就是，攻击者的代码将会在内核态下执行！
然而假设不只是假设，它曾真实发生过，就算强如微软的程序大佬，也会有忘记检查空指针的时候。
典型漏洞案例：CVE-2014-4113 Windows
释放后使用：UAF
除了空指针，悬在C/C++程序员头顶的还有一把利刃，这就是悬空指针。
悬空指针的意思是忘记对已经释放的内存/对象指针即时置空，而在后面又去使用这个指针，但此时对应的内存已被回收，引发不可预期的后果。
哎，这个指针可真是害人不浅啊！
你有没有想过，假如在对象释放后忘记对指针及时置空，后面又继续使用这个指针，就在这两个动作发生之间的那一段时间里，不怀好意的人去把原来释放的那块内存空间给“占领”了，布置好恶意的数据代码，会发生什么后果？
这就是大名鼎鼎的释放后使用UAF攻击！
UAF意思是Use After Free。
来看一个简单的例子：
两个对象，一个真，一个假，它俩对象占据的内存空间一样大。
下面这段代码，在原始对象释放后，忘记对obj指针置空，随后分配一个FakeObject，由于堆分配算法的原因，这俩对象一样大小，很大概率新的对象就会分配到刚刚释放的那片内存上去。
此时再通过原来已经悬空的指针来调用函数，实际上调用到了新的对象的函数，劫持了执行流程。
这只是一个简单的示例，真实环境中比这要复杂得多，但原理是一致的。
而这种事情一旦发生在系统内核，那后果就严重了，应用程序可以劫持内核空间的执行流程，执行自己的代码。
典型漏洞案例：CVE-2016-0728 Linux
整数溢出 + 数组越界
在操作系统中，有很多函数地址以表格的形式存储了起来，如：
系统调用表：SSDT/sys_call_table
中断描述符表：IDT
假如有办法能修改这些表格中的函数地址，改写成攻击者的代码地址，不就能有办法让我们的代码在内核模式下运行了吗？
道理是这么个道理，但这些表格本身就位于内核空间，普通应用程序别说去改写了，连读取都费劲。
那真的没办法了吗？
还是有的！
假如内核中某段代码在向某个数组中某个元素写入数据，又恰巧忘记了检查数组的下标是不是越界，再恰好这个下标可以通过应用程序来控制，那岂不是可以越界写？一不小心写到了前面那些函数表格里去了咋办？
你可能已经意识到了，这不是假设，是真实案例！
典型漏洞案例：CVE-2013-2094 Linux
这是一个Linux内核任意地址写入漏洞，通过精准控制系统调用的参数，实现改写IDT中的函数地址为恶意代码地址，实现在内核态执行恶意代码！
下面是一些内核攻击的真实案例：
安全防御
魔高一尺，道高一丈，形形色色的攻击也推进了操作系统和CPU的安全能力建设：
Intel® 2011年在第三代Core处理器禁止内核状态下去执行用户地址空间指令 SMEP（supervisor mode execute prevention），设置CR4寄存器的bit20位为1开启
ARM从armv7开始加入PXN技术，原理同SMEP
Windows 8.1禁止使用零页地址内存
Linux 2.6.26开始使用vm.mmap_min_addr限制地址空间最小值，防止使用零页内存
······
空指针、悬空指针、数组越界、整数溢出···这些一个个看起来不起眼的编程问题，如果发生在操作系统内核之中，那造成的后果便是灾难性的！可见，养成一个好的编程习惯有多重要！
连开发操作系统的大神程序员们都会犯错误，何况我们呢？