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[翻译]用 VirtualBox 调试 macOS 内核
2017-4-14 14:57 3211

[翻译]用 VirtualBox 调试 macOS 内核

2017-4-14 14:57
3211


更新:awalton 在 Hacker News 上的讨论中提到:VMWare 里可以设置 CPUID 标志来禁用 SMAP,只需要在 vmx 文件中加上cpuid.7.ebx = "-----------0--------------------".

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上年,我给我的老 MBP 升级了2016年的 Skylake Intel 处理器。我在调试一个内核漏洞时,发现我的 VMWare 开启了“SMAP”(防止超级用户访问)机制。我找不到怎么关闭 SMAP,还好 VirtualBox 目前好像不支持 SMAP?

这篇文章会手把手教你如何用 VirtualBox 进行 macOS 内核的源码级调试。虽然这些步骤都是在 VirtualBox上进行的,但在 VMWare 上也是通用的,甚至更简单。


安装 VirtualBox 和 Sierra

如果你还没在 VirtualBox 上安装 macOS 镜像,你可以复用 VMWare 的 vmdk,也可以装个新的。重新安装系统需要 ISO 镜像,下面的命令可以将从 Mac app store下载的 Sierra 转成 ISO。

$ hdiutil attach /Applications/Install\ macOS\ Sierra.app/Contents/SharedSupport/InstallESD.dmg -noverify -nobrowse -mountpoint /Volumes/installesd
$ hdiutil create -o /tmp/Sierra -size 8g -type SPARSE -layout SPUD -fs HFS+J
$ hdiutil attach /tmp/Sierra.sparseimage -noverify -nobrowse -mountpoint /Volumes/install
$ asr restore -source /Volumes/installesd/BaseSystem.dmg -target /Volumes/install -noprompt -noverify -erase
$ rm /Volumes/OS\ X\ Base\ System/System/Installation/Packages
$ cp -rp /Volumes/installesd/Packages /Volumes/OS\ X\ Base\ System/System/Installation/
$ cp -rp /Volumes/installesd/BaseSystem.dmg /Volumes/OS\ X\ Base\ System/BaseSystem.dmg
$ cp -rp /Volumes/installesd/BaseSystem.chunklist /Volumes/OS\ X\ Base\ System/BaseSystem.chunklist
$ hdiutil detach /Volumes/installesd
$ hdiutil detach /Volumes/OS\ X\ Base\ System/
$ hdiutil resize -sectors min /tmp/Sierra.sparseimage
$ hdiutil convert /tmp/Sierra.sparseimage -format UDTO -o /tmp/Sierra
$ rm /tmp/Sierra.sparseimage
$ mv /tmp/Sierra.cdr /tmp/Sierra.iso


网络设置

如果你用了桥接,可以跳过这部分。

如果用的是 NAT,需要为 KDP 开启端口转发。点击“网络”,选择“高级” -> “端口转发”,将 localhost 41139/UDP 转发到虚拟机的 41139/UDP,就能够访问到虚拟机的 41139 端口了。


安装 XCode

在你的主机上安装 XCode,通过 App store 安装最简单。 可以直接打开 XCode,也可以执行 sudo xcodebuild -license accept 接受 XCode license。


安装内核调试组件(KDK)

根据我们要调试的 macOS 版本从 Apple 开发者中心安装 KDK ,这里我的是10.12 build 16A323.

KDK 的安装目录是 /Library/Developer/KDKs ,提供的内核版本、符号、内核扩展都有 RELEASE、DEVELOPMENT、DEBUG 三种版本。不同之处在于 DEVELOPMENT 和 DEBUG 版比 RELEASE 版多了些断言和错误检查,DEBUG 版的最丰富。

注意:被调试的系统不需要安装 KDK。


修改 nvram boot-args

为了能够调试虚拟机,需要设置虚拟机上 nvram 中的 debug 项。除了 debug 的值外其他值也能被我们所用。下面是一些因垂斯挺的选项:

- -v:以 verbose 模式启动系统。

- kcsuffix:填写后缀以指定启动的内核。

- pmuflags:貌似大家都推荐把这项值设为1。然而 Apple's Kernel Programming Guide 已经明确指出管理电源的看门狗定时器“只在台式机、笔记本的 G4 版本和台式机的 G5 版本及之前有作用”,其他的看门狗定时器“只在 OS X Server 中启用”。所以,虽然设置了也不影响,但这个选项真没什么卵用。

- debug:允许远程内核调试。 Apple docs 里有列出可用的标志。我常用的是`DB_LOG_PI_SCRN | DB_ARP | DB_NMI`。另外,`control + option + command + shift + escape` 可以触发不可屏蔽中断(NMI),继而引发调试器中断,超级方便。这对组合键跟 host key 的组合键冲突的时候用起来很难受,所以我把 host key 重新绑定成`command + right`了。

修改 nvram

在 VMware 里,可用这样修改 nvram:

$ sudo nvram boot-args="-v debug=0x144"

在 virtualbox 里没那么简单,因为一重启修改的值就没了。还好从 virtualbox 手册的 3.13.2 看到了希望:

不能在运行的虚拟机内部操作 EFI 变量了(如:在Mac OS X 虚拟机里运行 nvram 来设置“boot-args”不管用了)。不过,可以通过给虚拟机发送附加数据"VBoxInternal2/EfiBootArgs" 来设置“boot-args”。...

因此,我们需要关闭虚拟机,在主机上运行命令:

$ VBoxManage list vms # 列出下条命令使用的 UUID
"macOS 10.12.0" {9ad936f8-9360-44a6-ba3e-c4d92b4243e8}
$ VBoxManage setextradata 9ad936f8-9360-44a6-ba3e-c4d92b4243e8 VBoxInternal2/EfiBootArgs "-v debug=0x144


设置不同内核

前面我提到可以指定`kcsuffix`选项以调试不同版本的内核。内核文件在虚拟机的`/System/Library/Kernels`目录,然而这个目录受“系统完整性保护”机制保护(SIP)。所以要想使用 KDK 或者自己编译的内核,必须启动进入 recovery,把目标内核拷进`/System/Library/Kernels`目录,使 kextcache 失效,然后重新启动。

启动进入 recovery

在 VMware 里,`cmd + R`就能进入 recovery 模式。virtualbox 要多几步。

启动虚拟机时,按住`F12`,然后选择`Boot Manager -> EFI Internal Shell`,就会看到 EFI Shell 的欢迎界面。输入命令进入 recovery:

FS2:\com.apple.recovery.boot\boot.efi

进入 recovery 的界面,打开终端,操作目标内核,并将 kextcache 设置为无效。

# mv /path/to/kernels/kernel.development /System/Library/Kernels
# kextcache -invalidate /Volumes/Macintosh\ HD
# reboot

如果需要禁用 SIP,在重启之前执行:

# csrutil disable
Successfully disabled System Integrity Protection. Please restart the machine for the changes to take effect.


源码调试

下载要调试的版本的 XNU 源码。调试时,LLDB 会去 `/Library/Caches/com.apple.xbs/Sources/xnu/xnu-...`目录寻找内核源码,所以可以把下载的源码放这个目录,也可以建一个符号链接指向源码目录。还有个方法是 设置 LLDB 的`target.source-map`变量:

lldb> settings set target.source-map /Library/Caches/com.apple.xbs/Sources/xnu/xnu-3789.1.32 /Users/kedy/Downloads/xnu-3789.1.32

早一些的 macOS 版本比如 Yosemite 就只能把源码放在 `/SourceCache/xnu/`里。


安装 LLDB

终于到调试器了。下面举例用的是 RELEASE 内核。

为了在 Sierra KDK 里用 XNU LLDB 宏,执行`pip install macholib`安装`macholib`模块。粘贴执行加载内核文件时提示我们要执行的命令。(如下)

触发 NMI 后(或者等待设置了`DB_HALT`的调试器暂停启动进程时),执行`kdp-remote <ip>`连接到调试进程(若使用的是 NAT 端口转发,ip 是 localhost)。(如下)

$ lldb /Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel
(lldb) target create "/Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel"
warning: 'kernel' contains a debug script. To run this script in this debug session:
    command script import "/Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel.dSYM/Contents/Resources/DWARF/../Python/kernel.py"
To run all discovered debug scripts in this session:
    settings set target.load-script-from-symbol-file true
Current executable set to '/Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel' (x86_64).
(lldb) command script import "/Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel.dSYM/Contents/Resources/DWARF/../Python/kernel.py"
Loading kernel debugging from /Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel.dSYM/Contents/Resources/DWARF/../Python/kernel.py
LLDB version lldb-370.0.40
  Swift-3.1
settings set target.process.python-os-plugin-path "/Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel.dSYM/Contents/Resources/DWARF/../Python/lldbmacros/core/operating_system.py"
settings set target.trap-handler-names hndl_allintrs hndl_alltraps trap_from_kernel hndl_double_fault hndl_machine_check _fleh_prefabt _ExceptionVectorsBase _ExceptionVectorsTable _fleh_undef _fleh_dataabt _fleh_irq _fleh_decirq _fleh_fiq_generic _fleh_dec
command script import "/Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel.dSYM/Contents/Resources/DWARF/../Python/lldbmacros/xnu.py"
xnu debug macros loaded successfully. Run showlldbtypesummaries to enable type summaries.
(lldb) kdp-remote 192.168.149.184
Version: Darwin Kernel Version 15.2.0: Fri Nov 13 19:56:56 PST 2015; root:xnu-3248.20.55~2/RELEASE_X86_64; UUID=17EA3101-D2E4-31BF-BDA9-931F51049F93; stext=0xffffff8007a00000
Kernel UUID: 17EA3101-D2E4-31BF-BDA9-931F51049F93
Load Address: 0xffffff8007a00000
Kernel slid 0x7800000 in memory.
Loaded kernel file /Library/Developer/KDKs/KDK_10.11.2_15C50.kdk/System/Library/Kernels/kernel
Target arch: x86_64
Instantiating threads completely from saved state in memory.
Loading 82 kext modules warning: Can't find binary/dSYM for com.apple.kec.corecrypto (491718F5-B509-31DC-92B5-6BAC95E3F494)
.warning: Can't find binary/dSYM for com.apple.kec.pthread (0888BA0A-49EE-394A-AEB1-1E5C6838A1F2)
(omitted...)
. done.
kernel was compiled with optimization - stepping may behave oddly; variables may not be available.
Process 1 stopped
* thread #2, name = '0xffffff800db8b000', queue = '0x0', stop reason = signal SIGSTOP
    frame #0: 0xffffff8007bd655e kernel`Debugger(message=<unavailable>) at model_dep.c:1020 [opt]
   1017
   1018		doprnt_hide_pointers = old_doprnt_hide_pointers;
   1019		__asm__("int3");
-> 1020		hw_atomic_sub(&debug_mode, 1);
   1021	}
   1022
   1023	char *
(lldb)

瞧,macOS 内核源码调试这就开始了!

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原文链接:https://klue.github.io/blog/2017/04/macos_kernel_debugging_vbox/

本文由 看雪翻译小组 kiyaa 翻译




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