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在浩瀚的Linux内核世界中，总有一(yi)些“小(xiao)”漏(lou)洞，却能掀起惊涛骇浪。DirtyCOW（CVE-2016-5195）无疑是其中的(de)佼佼者。这个看似不起眼的文件写时复制（Copy-on-Write，COW）机制的缺陷，却在2016年引起(qi)了安全界的广泛关注，因为它允许(xu)低权限用户获得root权限，可谓是“麻雀虽小，五脏俱全”的典型。

今天，我们(men)就(jiu)来一次深(shen)入的“解剖”，从(cong)函数(shu)、操作到文件，一步步(bu)揭开DirtyCOW的面纱，并分享一些调试的心得。

揭(jie)开COW的神秘面纱：它是如何工作的？

在深入DirtyCOW之前，我们(men)必须先理解Linux内核中的写时复制（COW）机制。COW是一种优化内存使用的技术。当一(yi)个进程需要(yao)复制一个内存区域（例如fork()系统调用时），内核并不会立即将数据复制(zhi)到新的内存空间。相反，它会为新进程分配与原进程共(gong)享的(de)物理内存页面。

只有当其中一(yi)个进程试图修改这个共享内存页面时，内核才(cai)会创建一个页面的副本，并将修改限制(zhi)在副本上，原有的页面则不受影响。这种“懒加载”式的复(fu)制，极大地提高了内存利用率和进程创建的效率。

DirtyCOW的“脏”在哪里？

DirtyCOW漏洞的核心，就在于(yu)对COW机制的误用和竞态条件。简单来说，当一个进程修改一个写时复制的内存页面(mian)时，原本应该触发内核创建副本的操作(zuo)，在特定时序下出现了偏差。如果攻击者能够在一个进程写入共享页面之前，抢先完成(cheng)对该页面的修改，那么修(xiu)改就会直接应用(yong)到原始页面上，而不是副本，从而绕过了COW的保护，实现了任意文件写入。

关键函数与流(liu)程：深入内核的旅程

要理解DirtyCOW的exploit，离不开对几个(ge)关键内核函数的深入(ru)分析。其中，__do_fault()函数是重中之重。这个函数负责处理缺页异常（pagefault）。当CPU访问一个不存在(zai)于物理内存中的虚拟地址时，就会触发缺页异常，内核会调用__do_fault()来解(jie)决这个问题。

在DirtyCOW的场景下，攻击者会(hui)利用madvise(MADV_DONTNEED)和msync()等系统调用，配合文件映射（mmap）和写(xie)操作，试图在内核准备为写入操作创建页面副本的过程中，通过一系列的(de)内存操作和文件描述符的切换，制造一个竞态条件。

具体的流程大致是这样的：

内存映射与写入准备:攻击者首先通过mmap将一个目标文件映射到进程(cheng)的地(di)址空间(jian)。然后(hou)，尝试对映射的内存区域进行写入。触发缺页异(yi)常:在写入过程中(zhong)，如果对应的物理页面尚未被分配，或者由(you)于其他原因触发了缺页异常，就(jiu)会调(diao)用__do_fault()。

COW机制的介入:__do_fault()会检(jian)查当前内存页面的权(quan)限和共享属性。如果(guo)是一个写时复(fu)制的页面，并且是可写操(cao)作，理论上应该触发页面复制。竞态窗口的出现:攻击者利(li)用pagemap文件（/proc/self/pagemap）等工具，精确地控制内存页面的状态。

他们会在(zai)内核准备执行页面复制的微妙时刻，通过对/proc/self/pagemap的写入操作，强行修改目标文件的底层物理页面。“脏”数据的诞生:一旦竞态条件(jian)成功，攻击者写入的(de)数据就会直接覆盖目标文件的底层页面，绕过了COW机制的隔离。

此时，原本只应修(xiu)改副本的写操作，却“脏”染了共享的原始页面。

调试的(de)艺(yi)术(shu)：拨开迷雾的利器

调试DirtyCOW这样的内核漏洞，绝对是一场与时间(jian)的赛跑，更是(shi)对耐心和细致的终极考验。GDB+QEMU组合是内核调试的黄金搭档。通过QEMU模拟目标Linux环境，并在GDB中连接到QEMU的内核进程，我们可以像调试用户态程序一样，在内核代码中设置断点、单步执行、查看寄存器和内存。

在调试DirtyCOW时，我们(men)往(wang)往需要关注以下几个(ge)关键点：

__do_fault()的执行路径:在__do_fault()函数中，仔细跟踪页面的flags、vma（virtualmemoryarea）的属性，以及pte（pagetableentry）的变化，是理解漏洞发生机制的关键。

内存页面的引用计数:关注页面引用计数（refcount）的变化，可以帮助我们理解在竞态条件下，页面是被错误地共享(xiang)还是(shi)被不当释放。mmap和msync的行为:观(guan)察这(zhe)两个系统调用(yong)在不同场景下的参数和返回值，以及它们对内存映射区域和文件状态的影响。

pagemap文件的交互:理解/proc/self/pagemap如何反映物理内存页面的状态，以及如何利用(yong)它来观察或干预页(ye)面的复制过程。

调试过程中，我们可能会遇到各种挑战，例如：

巨量的日志:内(nei)核日志信息庞杂，需(xu)要有针对性地过滤和分析。精确的时序控制:竞(jing)态条件往往发(fa)生在一瞬间，想要稳定复(fu)现需要反复尝试和精细调整。内(nei)核版本的差异:不同版本的内核，__do_fault()的实现细节可能有所不同，需要针对具体版本进行分析。

每(mei)一次成功的断(duan)点命中，每(mei)一次对变量的精准追踪，都如同在黑暗中点亮一盏灯，让我们离真相更近一步。通过不断的尝试和迭代，我们(men)才能逐渐构建起对DirtyCOW漏洞的全(quan)面(mian)认识。

在第一部分，我们初步了解了DirtyCOW漏洞的背景，它与Linux内核的写(xie)时复制（COW）机制息息相关，并且深入探(tan)讨了关键的内核函数，特别是__do_fault()在漏洞触发过程中的作用。我们也简要介绍了使用GDB+QEMU进行内核调试的思路。

现(xian)在，我们将继续深入，聚焦(jiao)于具体的函数操作、文件交互(hu)以及更精细的调试技巧，力求为读者呈现一个更(geng)立体、更具操作性的DirtyCOW学习图景。

精细函(han)数操(cao)作：深入page_mkwrite与do_wp_page

除了__do_fault()，在DirtyCOW的(de)exploit中，还有几个函数扮演着至关重要的角色。当__do_fault()确定需要进行写操作，并且需要创建一个页(ye)面的副本时，它会调用handle_mm_fault()，而handle_mm_fault()最终会导向page_mkwrite()。

page_mkwrite()的主要职责是确保页面是可写的，并且如果需要，会尝试分配新的页面。

在page_mkwrite()中，会涉及(ji)到do_wp_page()函数。do_wp_page()是(shi)COW机(ji)制中处理写保护页面的核心函数。当一个进程试图写入一个被标(biao)记为写保护的页面时，do_wp_page()会被调用。它的任务是：

检查页面是否是(shi)共享的:如果页面是共享的，那么就(jiu)需要进行复(fu)制(zhi)。分(fen)配新页面:分配一个新的物理页面。复制页面内容:将原页面内容复制到新页(ye)面。更新页表:修改页表，将进程的虚拟地址指向新分配的页面，并设置相(xiang)应的权限。释放原页面(如果不再被共享):如果原页面不再被其他进程共享，则将(jiang)其释放。

DirtyCOW漏洞的精(jing)妙之处在于，它利用了page_mkwrite()和do_wp_page()在处理写操作时的竞态。攻击者通过快速地重复执行写操作，并结合其他内存操作（例如madvise(MADV_FREE)），试图(tu)让内核在准备(bei)复(fu)制页面时，出现一个短暂的窗口。

在这个窗(chuang)口内，如果攻击者能够通过某种方式（通常是利用(yong)pagemap文件）直接修改底层物理页面的(de)数据，那么这个“脏”数据就可(ke)能被错误地应用到原始页面上，而不是新复制的副本。

文件操作的艺术：pagemap的双刃剑

在DirtyCOW的exploit中，/proc/self/pagemap文件扮演着一个非常特殊的角色(se)。它允许用户空间程序直接读取和修改内核内存页面的物理地址信息。通过pagemap，攻击者可以(yi)：

判断页面状态(tai):检查一个(ge)虚拟(ni)地址对应的物理页面是否存在，是否已经(jing)被分配，以及它的属性。获取物理地址:找到目标文件的(de)特定内(nei)存(cun)页面在物理内存中的地址。直接修改页面:在竞态窗口中，通过向pagemap写入特定数据，直接修改物理页面的内容。

这就像给攻击者打开了(le)一(yi)扇“后门”，绕过了正常的内存访问和修改流程。攻击者利用pagemap的强大能力，可(ke)以在内核尚未完成COW复(fu)制和写保(bao)护处理之前，将恶意数据“塞”入目标文件的底(di)层页面。

pagemap的使用也(ye)并(bing)非易(yi)事。它要求对内存管理和(he)物理地址有深入的理解。更重要的是，通过pagemap直接修改内存极其危险，稍有不慎就可能导致系统崩溃或数(shu)据损坏。这充分体现了DirtyCOW漏洞的“力量”与“危险”并存的特点。

调试的进阶：断点、日志与反汇编的(de)交响曲

随着对漏洞机制理解的深入，我们的调试策(ce)略也需要随之升级。

条件断点:针对__do_fault()、page_mkwrite()或do_wp_page()，设置条件断点。例如，只在特定虚拟地址范围或特定(ding)标志位满足时才触发断点。这可以极大地减少不必要的断点命中，将我们的注意力集(ji)中在关键时刻。日志记录:在关键(jian)函数入口和出口处，添加临时的printk语(yu)句，记录重要(yao)的变量(liang)值，如pte、vma、flags等。

虽然这需要重新编译内核，但却是理解函数内部(bu)逻辑最直接有效的方法。反汇编视图:当我们不确定某个C代码片段在汇编层面是如何实现的，或者怀疑编译(yi)器优化导致了意想不到的行(xing)为时，GDB的反汇编视图（disassemble）就成了我们的利器。通过对照汇编指令，我们可以更准确地理解CPU的执(zhi)行流程。

内存视图:使用GDB的x命令（examine）来查看内存区域的内容。这对于理解文件内容、内存结构以及漏洞(dong)触发时的内存状态至关重要。追踪特定文件描述符:在调试过程中，需要追踪与pagemap文件交互的文件描述符，以及与目标文件映射相关的structfile和(he)structvm_area_struct，以便更清晰地把握数据流向。

实战中的考量：理解上下文，把握时序

DirtyCOW漏洞的成功与否，很大程度上取决于对执行时序的精确控制。这意味着：

理解多线程/多进程的影响:在多任务环境下，其他进程或线程的操作可能(neng)会干扰到漏洞的利用。理解进程调度的行为，以及内核同步(bu)机制，对于编写稳定exploit至关重要。内核版本适(shi)应性:如前所述，不同版本的内核，COW的实现细节可能存在差异。

exploit需要针对特定内核版本进(jin)行适配和测试。硬(ying)件架构的(de)影响:虽然COW机制在(zai)逻(luo)辑上是(shi)通用的，但在底层实现上，不同的(de)CPU架构（如x86、ARM）可能存在细微差别，尤其是在内存管理单元（MMU）和页表处理方面。

总结与(yu)展望

DirtyCOW漏洞的学习，不仅仅是对一个CVE的研究(jiu)，更是一次深入Linux内核的探险。从COW机制的原理，到关键函数__do_fault()、page_mkwrite()、do_wp_page()的工作流程，再到pagemap文(wen)件这(zhe)一“双刃剑”般的存在，每一步都充满了挑战与乐趣。

通(tong)过结合GDB+QEMU的(de)调试技巧，我们得以在微观层面观察内核的行(xing)为(wei)，理解漏洞触发的微妙时机。每一次成功的调试，都是一次知识的积累，一次对系统底层(ceng)运行机制的更深层次的认知(zhi)。

DirtyCOW已经成为历史，但(dan)它留给我们的思考却是永(yong)恒的。它警示着我们，即使是看似成熟的系统，也可能隐藏着深刻的缺陷；它也激励着我们，不断地去探索、去理解、去学习，因为在技术的深处，总有未知的风景(jing)等待着我们去发现。希望这份学习(xi)与(yu)调试记录，能够为(wei)您在Linux内核安全研究的道路上，点亮一盏明灯。

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图片来源：每经记者 钟晶晶 摄

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封面图片来源：图片来源：每经记者 名称 摄