【网络安全】Linux内核部分文件分析

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,#BOOTSEG
mov  ds,ax
mov  ax,#INITSEG
mov  es,ax
mov  cx,#256
sub  si,si
sub  di,di
rep
movw
jmpi  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,cs
mov  ds,ax
mov  es,ax
! put stack at 0x9ff00.
mov  ss,ax
mov  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0
mov cx,#0x0002 ! sector 2, track 0
//起始扇区2；磁道0
mov bx,#0x0200 ! address = 512, in INITSEG
mov ax,#0x0200+SETUPLEN ! service 2, nr of sectors
int 0x13 ! read it
jnc ok_load_setup ! ok - continue
mov dx,#0x0000
mov ax,#0x0000 ! reset the diskette
int 0x13
j 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,#SYSSEG
mov  es,ax    ! segment of 0x010000
call  read_it
call  kill_motor

把system模块加载0x10000处，

关闭驱动器。
【学习资料】

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 0x10,8,%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

内联汇编格式：

asm(“汇编语句” :输出寄存器 :输入寄存器 :会被修改的寄存器)

#define get_seg_byte(seg, addr) \ /*宏定义:取段seg中地址addr处的一个字节*/
({ \
register char __res; \ //定义一个寄存器
__asm__("push %%fs; //保存fs寄存器的原值
mov %%ax, %%fs; //将seg设置到fs
movb %%fs:%2, %%a1; //将seg：addr处的一个字节放置到a1寄存器中
pop %%fs "\
: "=a" (__res) \ //输出寄存器列表
:"0" (seg), "m"(*(addr)));\ //输入寄存器列表
__res;}) /*输入:_res;输出:seg 内存地址*

: "=a" (__res) \ //输出寄存器列表
输出寄存器，a代表eax，运行结束后把eax的值放入res中
:"0" (seg), "m"(*(addr)));\ //输入寄存器列表
输入寄存器，0代表eax（与上面相同），m代表内存地址

取seg段addr处的一个字节。

取seg段addr处的四个字节。

取fs段寄存器的值。

str字符串 esp_ptr 栈指针 nr段号（在哪里出错）。

static void die(char * str,long esp_ptr,long nr)
{long * esp = (long *) esp_ptr;
int i;
printk("%s: %04x\n\r",str,nr&0xffff);
printk("EIP:\t%04x:%p\nEFLAGS:\t%p\nESP:\t%04x:%p\n",
esp[1],esp[0],esp[2],esp[4],esp[3]);
//打印栈中的一些寄存器
printk("fs: %04x\n",_fs());
printk("base: %p, limit: %p\n",get_base(current->ldt[1]),get_limit(0x17));
if (esp[4] == 0x17) {printk("Stack: ");
for (i=0;i<4;i++)
printk("%p ",get_seg_long(0x17,i+(long *)esp[3]));
printk("\n");
}
str(i);
printk("Pid: %d, process nr: %d\n\r",current->pid,0xffff & i);
for(i=0;i<10;i++)
printk("%02x ",0xff & get_seg_byte(esp[1],(i+(char *)esp[0])));
printk("\n\r");
do_exit(11);        /* play segment exception */
}
//打印当前栈中的内容

trap_init分析

set_trap_gate：优先级为0 ，设置权限较高，只能由用户程序调用。

set_system_gate :

设置权限较低，用户和系统所有进程调用。

system_call.s分析

操作系统的进程管理

系统时间：CPU内部有一个RTC（定时器），运行时调用mktime函数，算出时间差。

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);
}

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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