网上的教程 1 大多使用老版本内核，许多内容已经不再适用了。本文依托于我的项目 mycall 进行讲解，旨在把自己踩过的坑全部记录下来，具体实现请参考源码。实验在 Ubuntu 20.04 amd64 虚拟机（内核版本 5.15.0-105-generic）中进行。

本文将先后介绍给内核添加自定义系统调用的两种方式：

  • 通过内核模块将系统调用插入正在运行的内核中。
  • 将系统调用添加到内核源码中，再重新编译安装内核。

通过内核模块添加系统调用

这个方法最简单但是坑也最多，因为内核开发组显然不希望我们通过内核模块修改/覆盖系统调用 2，并且做了诸多限制，为此我们只能用一些 trick。

定义系统调用

从 Linux 4.17 开始，x86 下系统调用服务例程只接收 struct pt_regs * 一个参数 3。因此系统调用的定义为如下形式：

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asmlinkage long sys_mycall(struct pt_regs *regs)
{
    ...
}

根据 Linux x86 calling convention，Linux 系统调用通过寄存器传递参数：rax 存储系统调用号，rdi 存储第一个参数, etc. pt_regs 就是一个包含了寄存器值的结构体 4，需要从中读取参数。

获取系统调用表地址

要插入系统调用，首先需要能够找到系统调用表的地址 sys_call_table。可惜 2.6 版本以后内核就不再 export sys_call_table 了 5，只能寻求其他办法：

  • 从 System.map 读取

编译内核时生成的内核符号表中包含系统调用表的地址，可以通过以下命令获取：

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cat /boot/System.map-$(uname -r) | grep sys_call_table

但是若内核开启了 KASLR (Kernel Address Space Layout Randomization)，实际地址会和 System.map 中记录的不同，如果非要用这个方法就得关掉内核的 KASLR 特性。

  • 从 /proc/kallsyms 读取

其中包含当前运行内核的符号表，通过以下命令获取系统调用表地址：

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sudo cat /proc/kallsyms | grep sys_call_table

但是每次主机重启该地址都会发生变化，所以不要把里面的地址硬编码到代码里，而是先手动执行上述命令获取系统调用表地址，再在 insmod 时通过 module param 传递进内核模块中。

然而更好的方式是让模块在加载时通过 kallsyms_lookup_name() 函数自动去获取系统调用表地址。这个函数可以在运行时查询到内核中所有符号的地址，包括 non-exported symbols 如 sys_call_table。但是模块绕过内核的 export system 去访问 non-exported symbols 很容易被滥用，所以从内核 5.7 开始不再 export 这个函数了 6。不过这条路并没有被封死，我们还是可以通过 kprobes 来提取该地址。

  • 放置 kprobes（推荐）

利用 kprobes 可以追踪到 kallsyms_lookup_name() 函数的地址 7 8。其实也可以直接追踪 sys_call_table，不过根据 8 的描述，我这里还是先获取到 kallsyms_lookup_name() 函数，再利用该函数去查询系统调用表地址。以下是一个完整的 module 示例：

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#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/kprobes.h>

unsigned long *sys_call_table_addr;

// Find the address of sys_call_table address through kprobes
static struct kprobe kp = { .symbol_name = "kallsyms_lookup_name" };
typedef unsigned long (*kallsyms_lookup_name_t)(const char *name);
kallsyms_lookup_name_t kallsyms_lookup_name_my;

static int __init mymod_init(void) {
    register_kprobe(&kp);

    // pr_alert("Found at 0x%px \n", kp.addr);
    kallsyms_lookup_name_my = (kallsyms_lookup_name_t)kp.addr;
    sys_call_table_addr = (unsigned long *)kallsyms_lookup_name_my("sys_call_table");

    return 0;
}

static void __exit mymod_exit(void) {
    unregister_kprobe(&kp);
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(mymod_init);
module_exit(mymod_exit);

选择系统调用号

注意：自定义 syscall 的调用号必须在范围内。因为一旦内核编译完成后，其系统调用表大小已确定下来，如果在其后追加，很容易造成内存溢出问题，所以只能拦截替换现有的 syscall 9 10。

那么如何确定系统调用表的大小呢？首先需要下载当前运行内核的源码。

  • 内核源码 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 中有定义的系统调用表。
  • 编译内核后，arch/x86/include/generated/uapi/asm/unistd_64.h 中的 __NR_syscalls 就是系统调用表大小，这个宏只是表示这个表的大小，并不是真正的系统调用个数。
  • 编译内核后，arch/x86/include/generated/asm/syscalls_64.h 中有完整的系统调用表（行数等于 __NR_syscalls，如果对应序号的系统调用不存在，那么就是初始值 sys_ni_syscall，表示没有实现的系统调用，调用该系统调用号直接返回错误码 -ENOSYS）。

可以选择在系统调用表长度范围内且没有定义的系统调用号（虽然也可以拦截已定义的系统调用，但是有造成系统不稳定的风险）作为我们系统调用的插入位置，如 335。

为了模块的灵活性，我选择将系统调用号作为 module param 传入，并且设置为可读：

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module_param(MYCALL_NUM, int, S_IRUGO); // perm: 0444 readable

如此一来，插入模块后测试程序就可以直接从 /sys/module/mymod/parameters/MYCALL_NUM 读取系统调用号，而不需要硬编码或手动传入。

插入系统调用

修改系统调用表需要关闭内存的写保护：

  1. 将 cr0 的 Write Protect 关闭 (第17位是WP位)。
  2. 修改系统调用表。
  3. 恢复 cr0。

将系统调用编译进内核

我选择了和当前运行内核版本相近的 linux-5.15.157 版本内核源码进行实验。

  1. 下载内核源码。
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wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.15.157.tar.xz
sudo tar -xvf linux-5.15.157.tar.xz -C /usr/src
  1. 创建系统调用 sys_mycall。
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cd /usr/src/linux-5.15.157
mkdir mycall

创建 mycall/mycall.c，包含系统调用的实现。注意：这里定义系统调用需要用 SYSCALL_DEFINEx 宏 11 12。

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#include <linux/kernel.h>
#incldue <linux/syscalls.h>

SYSCALL_DEFINE1(mycall, char __user *, buf)
{
        ...
        printk("Hello world\n");
        return 0;
}

创建 mycall/Makefile，内容如下：

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obj-y:=mycall.o
  1. 将 mycall/ 添加到内核 Makefile 中 core-y 的末尾（6.x 内核变了，需要改 Kbuild 13）。
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core-y                  += kernel/ certs/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ mycall/
  1. 将 sys_mycall 添加到系统调用表 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl。
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335     64      mycall                  sys_mycall
  1. 将 sys_mycall 添加到头文件 include/linux/syscalls.h 末尾但 #endif 之前。
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...
asmlinkage long sys_mycall(char __user * buf);
#endif
  1. 编译内核。

首先安装编译所需的包：

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sudo apt-get install gcc
sudo apt-get install libncurses5-dev
sudo apt-get install bison
sudo apt-get install flex
sudo apt-get install libssl-dev
sudo apt-get install libelf-dev
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

配置内核：由于我们需要使用 kprobes 和 kallsyms 特性，所以需要检查确认 CONFIG_KPROBES=y, CONFIG_KALLSYMS=y 8。

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# 保存到 .config
sudo make menuconfig

编译内核：

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sudo make -j$(nproc)
  1. 安装内核。
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sudo make modules_install install

若重启后报错 error: the initrd is too big 无法进入系统，可以使用 INSTALL_MOD_STRIP=1 减小 initrd 大小：

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sudo make INSTALL_MOD_STRIP=1 modules_install install

  1. https://medium.com/anubhav-shrimal/adding-a-hello-world-system-call-to-linux-kernel-dad32875872 ↩︎

  2. https://lists.kernelnewbies.org/pipermail/kernelnewbies/2017-July/018091.html ↩︎

  3. https://stackoverflow.com/a/72677965/24741118 ↩︎

  4. https://www.torch-fan.site/2023/05/03/pt-regs%E5%B0%8F%E7%AC%94%E8%AE%B0/ ↩︎

  5. https://unix.stackexchange.com/questions/424119/why-is-sys-call-table-predictable ↩︎

  6. https://lwn.net/Articles/813350/ ↩︎

  7. https://github.com/xcellerator/linux_kernel_hacking/issues/3 ↩︎

  8. https://stackoverflow.com/questions/70930059/proper-way-of-getting-the-address-of-non-exported-kernel-symbols-in-a-linux-kern ↩︎ ↩︎ ↩︎

  9. https://www.jianshu.com/p/a4ae5ec55732 ↩︎

  10. https://stackoverflow.com/questions/2394985/linux-kernel-add-system-call-dynamically-through-module?rq=4 ↩︎

  11. https://stackoverflow.com/questions/66800646/unable-to-add-a-custom-hello-system-call-on-x64-ubuntu-linux ↩︎

  12. https://stackoverflow.com/questions/53735886/how-to-pass-parameters-to-linux-system-call ↩︎

  13. https://stackoverflow.com/questions/76262123/adding-a-system-call-to-linux-kernel-6 ↩︎