Отладчик - вторая после компилятора вещь, необходимая для создания программ. Однако многие из тех, кто пишет компьютерные программы и пользуется отладчиком, не в курсе того, каковы принципы и механизмы его работы.
Тяжело быть отладчиком...
В свете того, что программисты используют отладчик денно и нощно, особенно когда войдут в режим глубокой отладки, стоит сказать, что, будь отладчик не программой, а железякой, он бы наверняка перегрелся и сломался. Потому что столько работы, сколько её достаётся отладчику, не имеет даже компилятор.
Конечно, поскольку сейчас множество всяких различных языков программирования, то и отладчики для каждого из них свои. И, естественно, для разных категорий этих языков имеются различия в работе отладчиков: например, отладчик программ на интерпретируемом Ruby будет работать иначе, чем для компилируемого в байт-код языка Java, а отладчик для Java, в свою очередь, будет иметь отличия от отладчика Visual C++.
Я расскажу об отладке для платформы Windows. Поняв принципы работы отладчиков для неё, можно будет разобраться и с отладчиками под POSIX-системы, и с отладчиками, которые работают не на уровне операционной системы, а на уровне виртуальной машины или какого-либо интерпретатора.
Отладчики для Windows: два вида
Существуют два принципиально разных вида отладчиков под Windows. Думаю, с первыми сталкивались все, когда программировали на Delphi (не программировали на нём? С трудом верится. На чём же вы программировали в школе и на младших курсах?). Это отладчики пользовательских приложений. Их немало, и они существуют как по отдельности, так и (особенно, кстати, часто) в составе интегрированных сред разработки приложений. Среди отладчиков, распространяемых как отдельные программные продукты, традиционно выделяют OllyDbg, и о нём я когда-то писал в "Компьютерных вестях".
Второй вид отладчиков - это отладчики ядра операционной системы. Они встречаются и используются реже и по своему устройству значительно отличаются от отладчиков пользовательских приложений. Самый известный, и, одновременно, самый лучший из отладчиков ядра - это SoftIce. Возможно, вы о нём не только слышали, но даже пользовались.
Поскольку работа каждого из двух видов отладчиков имеет свою специфику, то я расскажу о каждом из них подробнее.
Отладчик пользовательских
приложений
Отладчик пользовательских приложений устроен проще, поскольку самую чёрную и грязную работу берёт на себя операционная система. В Windows есть специальные программные интерфейсы, которые предназначены для отладки приложений пользовательского уровня - называются они Windows Debugging API. Именно отладочными API пользуются все отладчики, которые встроены в популярные интегрированные среды разработки для Windows.
Для того чтобы отладка началась, отладчик должен запустить отлаживаемый процесс специальным образом - таким, чтобы система знала, что этот процесс будет находиться под отладкой. После этого начинается цикл отладки: программа выполняется до наступления определённого события, которое так и называется - отладочное событие, или debug event. При этом цикл отладки запускается в отдельном потоке, чтобы предотвратить зависание отладчика.
Но это только начало. Потому что самое интересное в работе отладчика начинается уже тогда, когда отладочное событие произошло. Ведь, по сути, в чём заключается работа отладчика? Чтобы помочь программисту локализовать ошибку с точностью до конкретной функции, конкретной операции, конкретной переменной. В этом нелёгком деле отладчику также может помочь операционная система.
Итак, отладочное событие произошло, и дальше надо каким-то образом узнать, как это связано с текстом программы. Это возможно только если в саму программу включена специальная отладочная информация - таблица отладочных символов. Она содержит в себе информацию о соответствии между адресами и именами функций, типов данных, номерами строк кода. Именно благодаря им возможна та отладка, с которой знаком каждый Windows-программист. Таблицы символов имеют разные форматы, а потому не всегда возможно отладить программу, скомпилированную компилятором одного разработчика, с помощью отладчика от другого производителя. Но, правда, самый распространённый формат всё же можно указать - это PDB (Program Database), и разработан он, естественно, корпорацией Microsoft.
Итак, если отладочная таблица символов имеет формат PDB, то можно воспользоваться специальным инструментом от корпорации Microsoft - символьным отладочным процессором. Когда-то он входил в ядро системы и назывался Imagehlp.dll, но уже давным-давно был выделен в отдельную библиотеку. Символьный процессор позволяет находить по заданному адресу ближайшую открытую функцию или глобальную переменную, а также номер строки и название файла с исходным текстом, в котором эта строка находится. Поддерживаются и обратные операции, например, поиск адреса функции по её имени.
Это, конечно, далеко не вся работа, которой занимается отладчик пользовательских приложений. Например, при отладке многопоточных приложений появляются многие очень тонкие моменты, связанные со взаимодействием потоков. Даже при отладке таких сравнительно простых вещей, как сервисы, есть свои нюансы.
Но на нюансах мы сейчас останавливаться не будем - в конце статьи я скажу вам, где о них почитать. Сейчас же давайте посмотрим на отладчики ядра.
Отладчик ядра
Отладчики ядра - программы намного более сложные, чем отладчики пользовательских приложений, и, полагаю, вполне понятно, почему: у них отсутствует помощник в виде операционной системы. Она в данном случае является их клиентом, ведь именно её они, в конечном счёте, должны отлаживать.
Большинство отладчиков ядра требует для своей работы два компьютера, соединённых нуль-модемным кабелем. Нуль-модем - это способ соединения двух компьютеров напрямую кабелем через их COM или LTP-порты. Второй компьютер нужен, потому что часть отладчика, сидящая на первом (на том, где установлена отлаживаемая система), имеет ограниченный доступ к аппаратному обеспечению, и поэтому весь вывод данных идёт по нуль-модему на второй компьютер.
В современных процессорах архитектуры Intel x86 имеются специальные отладочные регистры (и в стареньком 368-м, и в более новых моделях процессоров их всего восемь, они именуются как DR0-DR7). Эти регистры позволяют отладчику ставить контрольные точки на чтение и запись памяти, а также на порты ввода-вывода. В общем виде всё выглядит именно так, и я не думаю, что стоит сейчас расписывать подробно, за что отвечает каждый из отладочных регистров, какими прерываниями реализуются точки останова и давать прочую подобную информацию. Лучше расскажу о конкретных существующих отладчиках ядра для Windows.
Ну, во-первых, это отладчик, встроенный в само ядро операционной системы. Он есть во всех ОС линейки NT, начиная с Windows 2000. Это часть файла NTOSKRNL.EXE, и включить его можно, задав опцию "/Debug" для операционной системы в BOOT.INI. Этот отладчик нуждается в нуль-модемном соединении и втором компьютере с такой же ОС.
Есть ещё один отладчик ядра от Microsoft - WinDBG. Строго говоря, это не отладчик ядра, а гибридный отладчик, который можно использовать и для отладки приложений уровня пользователя. Он, в отличие от отладчика, встроенного в ядро, имеет графическую оболочку, а потому пользоваться им проще. Этот отладчик также поддерживает специальные расширения, которые могут пригодиться при решении некоторых задач отладки. Но и он для отладки ядра требует два компьютера.
Однако существует отладчик ядра, который может осуществлять отладку на одном-единственном компьютере. Это SoftIce. При этом SoftIce умеет отлаживать и прикладные программы. Использование этого отладчика для пользовательских программ оправдано, например, в случае отладки систем реального времени, привязываемых к системному таймеру. Если выполнять отладку с помощью обыкновенного отладчика, то результат может оказаться неправильным даже при правильной работе программы, а SoftIce остановит и программу, и таймер. Это полезно при отладке многопоточных приложений. Ко всему прочему, SoftIce имеет очень, очень хорошо развитые средства вывода информации обо всех потоках в системе, о синхронизации потоков для многопоточных приложений, информации о handle"ах... Единственный минус этого отладчика - его сложность для прикладного программиста. Но из отладчиков ядра это самый простой и эффективный.
Для самых любознательных
Сейчас, конечно, разговор об отладчиках для Windows-приложений не так актуален, как ещё лет десять назад. Весь мир заинтересовался Интернетом, и основными пользователями SoftIce стали крякеры, неутомимые труженики на ниве пиратства. Тем не менее, это не так уж плохо. Общение с SoftIce"ом, несомненно, развивает человека в плане знаний о компьютере, хотя, конечно, если общаться только с отладчиками и не общаться с живыми людьми, возможны некоторые побочные эффекты. Ну, об этом, я думаю, все и так догадываются.
Отладчики - одни из самых своеобразных видов программного обеспечения, но в плане разработки даже отладчики программ уровня пользователя довольно сложны. Но, тем не менее, если у вас есть желание и время для того, чтобы разработать собственный отладчик, ваши знания в области операционных систем и программирования существенно возрастут, а значит, возрастут и шансы на высокооплачиваемую работу.
Итак, если вам хочется создать собственный отладчик, то сначала стоит ознакомиться с материалами на эту тему. На мой взгляд, самым лучшим пособием для начала будет книга Джона Роббинса "Отладка Windows-приложений". Она уже старая, 2001-го года издания, но информация, изложенная в ней, актуальна и сейчас, поскольку имеет общий, даже в некотором роде фундаментальный характер. В этой книге есть примеры написания отладчиков для Windows, кроме того, она пригодится вам, если вы программируете на C++ и хотите лучше разобраться в обработке исключений. Собственно, именно из этой книги я и почерпнул сведения об отладчиках, изложенные в статье. Если же найти эту книгу не получится (всё-таки, она уже довольно старая), есть несколько адресов, которые могут вам пригодиться. Первый - вот такой: www.xakep.ru/post/19158/default.asp . Эта статья из журнала "Хакер" несколько подробнее рассказывает об отладчиках ядра, чем это сделал я, а кроме того, в ней приведён код простейшего отладчика. А по адресу kalashnikoff.ru/Assembler/issues/016.htm можно узнать о том, как написать DOS-отладчик. Но, конечно, лучше всего читать MSDN и попутно найти какой-нибудь отладчик с открытыми исходными текстами, чтобы в нём разобраться. Ну и, конечно, если вы взялись за написание отладчика, то успехов вам в этом нелёгком деле!
- Авторы:
Баринов С.С., Шевченко О.Г.
- Год:
- Источник:
Информатика и компьютерные технологии / Материалы VI международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - 23-25 ноября 2010 г., Донецк, ДонНТУ. - 2010. - 448 с.
Аннотация
Приведен сравнительный анализ отладки режима пользователя и режима ядра применительно к операционной системе Microsoft Windows, выделены отличия и проблемы организации отладки последнего. На основе полученных результатов сформулированы основные требования к построению отладчиков режима ядра в случае аварийной и интерактивной отладки. Проведен анализ существующих решений на предмет соответствия требованиям. В частности, особое внимание уделено отладчику Microsoft Windows Debugger.
Основная часть
Отладка - это процесс определения и устранения причин ошибок в программном обеспечении. В некоторых проектах отладка занимает до 50 % общего времени разработки . Отладка может быть значительно упрощена при использовании специализированных инструментов, которые постоянно совершенствуются. Основным таким инструментом является отладчик, позволяющий контролировать выполнение ПО, наблюдать за его ходом и вмешиваться в него. Средства отладки ядра преимущественно используются разработчиками драйверов .
Инструментарий разработки прикладного программного обеспечения предлагает программисту широкий спектр возможностей. Любая интегрированная среда разработки включает в себя и возможность отладки без необходимости использования сторонних утилит. Если же речь идет о системном программном обеспечении и разработке драйверов в частности, то в силу его специфики процесс разработки чрезвычайно затруднен и мало автоматизирован. Все фазы разработки, в числе которых и отладка, являются раздельными. Для проведения каждой из них требуются особые условия: написание программного кода выполняется на полноценной компьютерной системе, отладка - на отладочной системе, тестирование - в зависимости от обстоятельств и т.д. Сам же отладчик режима ядра более сложен в освоении и, соответственно, менее дружественен.
В целом можно говорить о недостатке средств отладки ядра. Хотя таковые средства имеются в наличии, зачастую говорить об альтернативах не приходится. Например, отладчик Microsoft Windows Debugger имеет слишком высокий порог вхождения. Многие программисты говорят о первом негативном опыте при знакомстве с ним, а большинство его возможностей остаются незатребованными.
Исходя из структуры виртуального адресного пространства, если в приложении допущена ошибка, вследствие которой приложение выполнит запись данных в произвольное место памяти, то приложение повредит только собственную память и не повлияет на работу других приложений и операционной систему. Тогда как программный код режима ядра в состоянии повредить важные структуры данных операционной системы, что неминуемо приведет к общему сбою. Неэффективно написанный драйвер также может стать причиной серьезной деградации всей операционной системы.
-
Современные отладчики обеспечивают следующие базовые функции:
- отладка на уровне исходного кода;
- управление выполнением;
- просмотр и изменение памяти;
- просмотр и изменение содержимого регистров процессора;
- просмотр стека вызовов.
Для облегчения работы с дизассемблированным кодом применяются т.н. отладочные символы. Во время работы компоновщика, кроме образа исполняемого файла также может быть создан файл данных, содержащий информацию, которая не требуется при выполнении программы, но чрезвычайно полезна при ее отладке: имена функций, глобальных переменных, описание структур. Отладочные символы доступны для всех исполняемых файлов операционной системы Windows .
Под управлением выполнением подразумевается способность прерывать и возобновлять выполнение программного кода по достижению заданной команды в программном коде. Если программный код исполняется в пошаговом режиме - прерывание возникает для каждой лексемы языка программирования или при выходе из подпрограммы. При свободном исполнении прерывание выполнения возникает в заранее оговоренных участках кода - местах, в которых установлены точки останова.
При прерывании кода режима ядра возникают следующая дилемма. Отладчик для взаимодействия с программистом использует интерфейс пользователя. Т.е. как минимум видимая часть отладчика выполняется в пользовательском режиме и для его построения естественно использует интерфейс прикладного программирования (Windows API), который в свою очередь опирается на модули режима ядра. Таким образом, приостановка кода режима ядра может привести к взаимной блокировке: система перестанет отвечать на запросы пользователя.
Для доступа к памяти ядра составные части отладчика также должны выполняться в режиме ядра. Это ведет к возникновению сразу двух проблем, являющиеся очевидным следствием организации памяти в защищенном режиме процессора.
Первая проблема касается трансляции виртуальных адресов памяти. Драйвера постоянно взаимодействуют с приложениями пользовательского режима, выполняя обращение к их памяти. Операционная система Windows транслирует виртуальные адреса в физические, руководствуясь понятием контекста потока. Контекст потока - структура, отражающая состояние потока и включающая, в частности, набор регистров и некоторую другую информацию. Когда управление передается другому потоку, возникает переключение контекста, при котором сохраняется информация об одном потоке и восстанавливается информации о другом. При переключении контекста потока на поток другого процесса переключается также и каталог страниц, используемый для трансляции виртуальных адресов в физические .
Особенность заключается в том, что при диспетчеризации системных вызовов операционная система Windows не переключает контекст. Благодаря этому код режима ядра может использовать виртуальные адреса пользовательского режима.
Иначе дело обстоит при диспетчеризации прерываний или выполнении системных потоков. Прерывание может произойти в любой момент, поэтому нельзя предугадать, какой контекст потока будет использоваться. Системные же потоки не принадлежат какому-либо процессу и не могут транслировать виртуальные адреса пользовательского режима . Отсюда следует, что в этих ситуациях нельзя обратиться к памяти пользовательского режима.
Второй проблемой является обращение к перемещаемой памяти. Большая часть информации в памяти является перемещаемой и в любой момент может быть перемещена из физической памяти на жесткий диск в страничный файл. Если обратиться к странице, которая отсутствует в физической памяти, в нормальной ситуации процессор сгенерирует прерывание Page Fault, которое будет обработано диспетчером памяти, и в результате страница будет прочитана из страничного файла и загружена в физическую память.
Описанное поведение нарушается, если программный код отладчика вынужден использовать высокий уровень запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL). При IRQL, совпадающем с или превышающем IRQL диспетчера памяти последний не сможет загрузить отсутствующую страницу, т.к. операционная система будет блокировать прерывание Page Fault. Это приведет к краху операционной системы .
Отладку принято разделять на интерактивную и аварийную. При интерактивной локальной отладке отладчик выполняется в той же системе, что и объект отладки. При интерактивной удаленной отладке отладчик и объект отладки выполняется в разных системах. При отладке кода ядра система должна контролироваться, начиная с первых этапов ее загрузки, когда сеть еще не функционирует, поэтому для связи систем применяют простые последовательные интерфейсы, такие как COM, FireWire, USB. В последнее время, благодаря тенденциям развития виртуализации ПО на разных уровнях абстракций, все чаще привлекают виртуальные машины. Гостевая ОС выступает в качестве отлаживаемой, размещенная ОС включает интерфейс пользователя отладчика.
Таким образом, для аварийной отладки не требуется установка средства отладки на тестовом компьютере. В дистрибутив операционной системы Windows включены механизмы для реализации аварийной отладки. Перед перезагрузкой операционная система может сохранять информацию о своем состоянии, которую разработчик может проанализировать и выяснить причину. Такая информация, сохраненная в файл, называется дампом памяти.
Основные средства отладки режима ядра предоставляются самим производителем операционной системы Windows в рамках свободно распространяемого пакета «Debugging Tools for Windows». Средства включают графический и консольный отладчики WinDbg и KD соответственно (далее Windows Debugger). Работа этих отладчиков опирается на механизмы, предусмотренные разработчиками операционной системы и заложенные в ее ядре.
Основным режимом для Windows Debugger является режим интерпретатора команд. Благодаря модульной структуре, наряду с поставляемыми разработчиками командами Windows Debugger поддерживает сторонние модули, называемыми расширениями. В действительности большинство встроенных команд также оформлено в виде расширений.
Windows Debugger ориентирован на удаленную интерактивную и аварийные отладки, при использовании которых раскрываются все его возможности. В тоже время полноценная локальная интерактивная отладка не поддерживается: отладчик позволяет только просматривать некоторые структуры ядра.
Существует модуль расширения для Windows Debugger под названием LiveKD, созданный Марком Руссиновичем, который в некотором смысле реализует локальную интерактивную отладку. LiveKD на ходу создает дамп памяти рабочей системы и использует его для отладки.
Пакет инструментов «Debugging Tools for Windows» регулярно обновляется и поддерживает все современные операционный системы Windows.
Отладчик ядра SoftICE, выпускавшийся компанией Compuware в пакете программ DriverStudio, традиционно выступал альтернативой пакету «Debugging Tools for Windows». Отличительной чертой SoftICE являлась реализация локальной интерактивной отладки на поддерживаемом аппаратном обеспечении. Отладчик практически полностью мог контролировать работу операционной системы.
С 3 апреля 2006 года продажа продуктов семейства «DriverStudio» было прекращена по причине «множества технических и деловых проблем, а также общего состояния рынка». Последней версией операционной системы, поддержка которой была реализована, является Windows XP Service Pack 2. Как правило, пакеты сервисных обновлений не изменяют прикладной интерфейс операционной системы, но номера системных вызовов и другая недокументированная информация может претерпевать изменение. Отладчик SoftICE опирался на жестко-прописанные адреса внутренних структур данных. Как следствие - с выходом Service Pack 3 совместимость была нарушена. Очевидно, что более поздние версии операционной системы Windows также не поддерживаются.
Syser Kernel Debugger создан небольшой китайской компанией Sysersoft как замена отладчику SoftICE. Первая финальная версия была выпущена в 2007 году. Как и SoftICE, Syser Kernel Debugger способен выполнять интерактивную отладку на работающей системе. Поддерживаемыми являются только 32-разрядные редакции современных версий Windows.
На данный момент Windows Debugger является основным инструментом среди разработчиков модулей ядра. Его также использует команда разработчиков ядра операционной системы Windows.
Термин «отладка ядра» означает изучение внутренней структуры данных ядра и (или) пошаговую трассировку функций в ядре. Эта отладка является весьма полезным способом исследования внутреннего устройства Windows, поскольку она позволяет получить отображения внутренней системной информации, недоступной при использовании каких-либо других средств, и дает четкое представление о ходе выполнения кода в ядре.
Прежде чем рассматривать различные способы отладки ядра, давайте исследуем набор файлов, который понадобится для осуществления любого вида такой отладки.
Символы для отладки ядра
Файлы символов содержат имена функций и переменных, а также схему и формат структур данных. Они генерируются программой-компоновщиком (linker) и используются отладчиками для ссылок на эти имена и для их отображения во время сеанса отладки. Эта информация обычно не хранится в двоичном коде, поскольку при выполнении кода она не нужна. Это означает, что без нее двоичный код становится меньше по размеру и выполняется быстрее. Но это также означает, что при отладке нужно обеспечить отладчику доступ к файлам символов, связанных с двоичными образами, на которые идут ссылки во время сеанса отладки.
Для использования любого средства отладки в режиме ядра с целью исследования внутреннего устройства структуры данных ядра Windows (списка процессов, блоков потоков, списка загруженных драйверов, информации об использовании памяти и т. д.) вам нужны правильные файлы символов и, как минимум, файл символов для двоичного образа ядра - Ntoskrnl.exe. Файлы таблицы символов должны соответствовать версии того двоичного образа, из которого они были извлечены. Например, если установлен пакет Windows Service Pack или какое-нибудь исправление, обновляющее ядро, нужно получить соответствующим образом обновленные файлы символов.
Загрузить и установить символы для различных версий Windows нетрудно, а вот обновить символы для исправлений удается не всегда. Проще всего получить нужную версию символов для отладки путем обращения к специально предназначенному для этого серверу символов Microsoft, воспользовавшись для этого специальным синтаксисом для пути к символам, указываемом в отладчике. Например, следующий путь к символам заставляет средства отладки загрузить символы с интернет-сервера символов и сохранить локальную копию в папке c:\symbols:srv*c:\symbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols
Подробные инструкции по использованию символьного сервера можно найти в файле справки средств отладки или в Интернете на веб-странице http://msdn.microsoft.com/en-us/windows/hardware/gg462988.aspx.
Введение
1. Типы Windows-отладчиков
2. Отладчики режима пользователя
3. Отладчики режима ядра
3.1 Отладчик WDEB386
3.2 Отладчик I386KD
3.3 Отладчик Win DBG
3.4 Отладчик SoftICE
4. Общий вопрос отладки
5. Автоматический запуск приложений в отладчике
5.1 Быстрые клавиши прерываний
Заключение
Литература
Введение
Изучение механизма работы программных инструментов - наиболее трудная часть отладочного процесса. Только понимая возможности и ограничения инструментов, можно получать от них большую отдачу и тратить меньше времени на отладку. Как правило, отладчики чрезвычайно полезны, но могут привести к довольно тонким проблемам, заводящим программиста в тупик. В этой главе показано, что такое отладчик и как различные отладчики работают в операционных системах Win32 (32-разрядных операционных системах Windows фирмы Microsoft).
При этом сосредоточимся на тех специальных свойствах отладчиков вообще, которые включены, когда под управлением последних выполняется какой-то программный процесс. Кроме того, здесь поясняются возможности усиления некоторых свойств 32-разрядных операционных систем Windows, позволяющие облегчить процесс отладки. Будут представлены два авторских отладчика, исходный код которых можно найти на сопровождающем компакт-диске. Первый (MinDBG) имеет достаточные возможности для того, чтобы его называли отладчиком. Второй (WDBG) - пример отладчика Microsoft Windows, который делает почти все, что и реальный системный отладчик, включая манипулирование таблицами символов, обработку точек прерывания, генерацию кода дизассемблера и координирование с графическим интерфейсом пользователя (GUI). При обсуждении WDBG мы покажем, как работают точки прерывания, и обсудим, что представляют собой различные файлы символов (symbol files).
Прежде чем переходить к основному материалу этой главы, определим два стандартных термина, которые будут часто использоваться в этой книге: основной (или базовый) отладчик (debugger) и подчиненный отладчик (debuggee). Проще говоря, основной отладчик - это процесс, который в отладочном отношении может контролировать другой процесс, а подчиненный отладчик - это процесс, запускаемый под основным отладчиком. В некоторых операционных системах основной отладчик называют родительским процессом, а подчиненный - дочерним.
Отла́дчик (деба́ггер, англ. debugger от bug) - компьютерная программа, предназначенная для поиска ошибок в других программах, ядрах операционных систем, SQL-запросах и других видах кода. Отладчик позволяет выполнять трассировку, отслеживать, устанавливать или изменять значения переменных в процессе выполнения кода, устанавливать и удалять контрольные точки или условия остановки и т.д.
Большинству разработчиков больше знакомы отладчики
пользовательского режима. Не удивительно, что отладчики этого режима
предназначены для отладки приложений пользовательского режима (user-mode applications). Главный пример
отладчика режима пользователя - отладчик Microsoft Visual C++. Отладчики режима
ядра, как следует из их названия, - это такие отладчики, которые позволяют
отлаживать ядро операционной системы. Они используются главным образом теми,
кто пишет (и отлаживает, конечно) драйверы устройств.
2. Отладчики режима пользователя
Отладчики режима пользователя предназначены для отладки любого приложения, выполняющегося в режиме пользователя, включая любые GUI-программы, а также такие не совсем обычные приложения, как службы (services) Windows 2000. В общем случае, отладчики этого типа поддерживают графический интерфейс пользователя (GUI1). Главный признак таких отладчиков - они используют отладочный интерфейс прикладного программирования (отладочный API) Win32. Поскольку операционная система помечает подчиненный отладчик как "выполняющийся в специальном режиме", то, чтобы выяснить, выполняется ли ваш процесс под отладчиком, можно использовать API-функцию IsDebuggerPresent.
При поставке отладочного API Win32 подразумевается следующее соглашение: раз процесс выполняется под отладочным API (и делает его, таким образом, подчиненным процессом), основной отладчик не может отделиться от данного процесса. Эти симбиозные отношения означают, что если основной отладчик завершает работу, то завершается также и подчиненный отладчик. Основной отладчик ограничивается отладкой только подчиненного отладчика и любых порожденных им процессов (если основной отладчик поддерживает процессы-потомки).
GUI - Graphical User Interface. - Пер.
Для интерпретируемых языков и исполнительных (run-time) систем, которые используют подход виртуальной машины, полную отладочную среду обеспечивают сами виртуальные машины, и они не используют отладочный API Win32. Вот некоторые примеры таких типов сред: виртуальные Java-машины (JVM) фирм Microsoft или Sun, среда сценариев для Web-приложений фирмы Microsoft, и интерпретатор р-кода в системе Microsoft Visual Basic.
отладчик ядро операционная система
Мы доберемся до отладки в Visual Basic в главе 7, но знайте, что интерфейс р-кода Visual Basic не документирован. Не будем вникать в отладочные интерфейсы Java и сценариев, эти темы выходят за рамки данной книги. Дополнительную информацию по отладке и профилированию Microsoft JVM ищите в разделе "Debugging and Profiling Java Applications" (Отладка и профилирование приложений Java) на MSDN. Набор таких интерфейсов весьма богат и разнообразен и позволяет полностью управлять работой JVM. Информацию о написании отладчика сценария можно найти в разделе MSDN "Active Script Debugging API Objects" (Активные объекты отладочных API-сценариев). Подобно JVM, объекты отладчика сценариев обеспечивают богатый интерфейс для сценариев доступа и документирования.
Отладочный API Win32 использует удивительно много программ. К ним
относятся: отладчик Visual C++, который подробно рассматривается в главах 5 и 6; отладчик
Windows (WinDBG), который обсуждается в
следующем разделе (посвященном отладчику режима ядра); программа BoundsChecker фирмы Compuware NuMega; программа Platform SDK HeapWalker; программа Platform SDK Depends; отладчики Borland Delphi и C++ Builder, а также символический
отладчик NT Symbolic Debugger (NTSD). Я уверен, что их намного больше.
3. Отладчики режима ядра
Отладчики режима ядра находятся между CPU и операционной системой. Это означает, что, когда вы останавливаете отладчик режима ядра, операционная система также полностью останавливается. Нетрудно сообразить, что переход операционной системы к резкому останову полезен, когда вы работаете с таймером и над проблемами синхронизации. Все-таки, за исключением одного отладчика, о котором будет рассказано ниже (в разделе "Отладчик SoftlCE" данной главы), нельзя отлаживать код пользовательского режима с помощью отладчиков режима ядра.
Отладчиков режима ядра не так много. Вот некоторые из них: Windows 80386 Debugger (WDEB386), Kernel Debugger (1386KD), WinDBG и SoftlCE. Каждый из этих отладчиков
кратко описан в следующих разделах.
3.1 Отладчик WDEB386
WDEB386 - это отладчик режима ядра Windows 98, распространяемый в составе Platform SDK. Этот отладчик полезен только для разработчиков, пишущих драйверы виртуальных устройств Windows 98 (VxD). Подобно большинству отладчиков режима ядра для операционных систем Windows, отладчик WDEB386 требует для работы две машины и нуль-модемный кабель. Две машины необходимы потому, что часть отладчика, которая выполняется на целевой машине, имеет ограниченный доступ к ее аппаратным средствам, так что он посылает свой вывод и получает команды от другой машины.
Отладчик WDEB386 имеет интересную историю. Он начинался как внутренний фоновый инструмент Microsoft в эпоху Windows 3.0. Его было трудно использовать, и он не имел достаточной поддержки для отладки исходного кода и других приятных свойств, которыми нас испортили отладчики Visual C++ и Visual Basic.
"Точечные" (DOT) команды - наиболее
важная особенность WDEB386. Через прерывание INT 41 можно расширять WDEB386 с целью добавления
команд. Эта расширяемость позволяет авторам VxD-драйверов создавать
заказные отладочные команды, которые дают им свободный доступ к информации в их
виртуальных устройствах. Отладочная версия Windows 98 поддерживает
множество DOT-команд, которые позволяют наблюдать точное состояние операционной
системы в любой точке процесса отладки.
3.2 Отладчик I386KD
Windows 2000 отличается от Windows 98 тем, что реально действующая часть отладчика режима ядра является частьюNTOSKRNL. EXE - файла главного ядра операционной системы Windows 2000. Этот отладчик доступен как в свободных (выпускных), так и в проверенных (отладочных) конфигурациях операционной системы. Чтобы включить отладку в режиме ядра, установите параметр загрузчика /DEBUG в BOOT. INI и, дополнительно, опцию загрузчика /DEBUGPORT, если необходимо установить значение коммуникационного порта отладчика режима ядра, отличающееся от умалчиваемого (СОМ1). I386KD выполняется на своей собственной машине и сообщается с машиной Windows 2000 через кабель нуль-модема.
Отладчик режима ядра NTOSKRNL. EXE делает только то, что достаточно для управления CPU, так чтобы операционная система могла быть отлажена. Большая часть отладочной работы - обработка символов, расширенные точки прерывания и дизассемблирование - выполняется на стороне 1386KD. Одно время Windows NT 4 Device Driver Kit (DDK) документировал протокол, используемый в кабеле нуль-модема. Однако Microsoft больше его не документирует.
Мощь 1386KD очевидна, если посмотреть на все команды, которые
он предлагает для доступа к внутреннему состоянию Windows 2000. Знание механизма
работы драйверов устройств в Windows 2000 поможет программисту следить за выводом
многих команд. Не смотря на всю свою мощь, i386KD почти никогда не
применяется, потому что это консольное приложение, которое очень утомительно
использовать для отладок исходного уровня.
3.3 Отладчик Win DBG
WinDBG - это отладчик, который поставляется в составе Platform SDK. Можно также загрузить его с#"897008.files/image001.gif">
Рис 1. Вывод программы GFLAGS. EXE
Листинг 4-1. Пример разрушения heap-области Windows 2000
void main (void)
HANDLE hHeap = HeapCreate (0, 128, 0);
// Распределить память для блока размером в 10 байтов.
LPVOID pMem = HeapAlloc (hHeap, 0,10);
// Записать 12 байт в 10-байтовый блок (переполнение heap-области).
memset (pMem, OxAC,
// Распределить новый блок размером 20 байт.
LPVOID pMem2 = HeapAlloc (hHeap, 0, 20);
// Записать 1 байт во второй блок.
char * pUnder = (char *) ((DWORD) pMem2 - 1);
// Освободить первый блок. Это обращение к HeapFree будет
// инициировать точку прерывания в коде отладочной heap-области
// операционной системы.
HeapFree (hHeap, 0, pMem);
// Освободить второй блок. Заметим, что этот вызов не будет
// выдавать соообщения о неполадке
HeapFree (hHeap, 0, pMem2);
// Освободить фиктивный блок. Заметим, что этот вызов не будет
// выдавать сообщения о неполадке
Если установить те же флажки, что на рис.4.1, и повторить выполнение HEAPER. EXE, то будет получен следующий, более многословный вывод:
PAGEHEAP: process 0x490 created debug heap 00430000
(flags 0xl, 50, 25, 0, 0): process 0x490 created debug heap 00CF0000
(flags Oxl, 50, 25, 0, - 0): process 0x490 created debug heap 01600000
(flags Oxl, 50, 25, 0, 0): Tail fill corruption detected:at 0x01606FF0size 0x0000000Asize 0x00000010at Ox01606FFA: Attempt to reference block which is not allocated
Содержимое листинга объясняют названия флажков, установленных панелью Global Flags.
Обсуждая программу GFLAGS. EXE, я хочу указать на одну очень полезную опцию - Show Loader Snaps. Если вы установите этот
флажок и выполните приложение, то увидите то, что называют снимком (snap) приложения, в котором
видно, где Windows 2000 загружает DLL-файлы и как она начинает организацию импорта.
Если необходимо точно видеть, что делает загрузчик Windows 2000 при загрузке
приложения (особенно в том случае, когда в нем обнаружена проблема), то
включение этой опции может оказаться весьма полезным мероприятием. Дополнительную
информацию по снимкам загрузчика можно получить в колонке Мэта Пьетрека "Under the Hood" в сентябрьском
выпуске Microsoft Systems Journal за 1999 год.
5. Автоматический запуск приложений в отладчике
Самыми трудными для отладки типами приложений являются те приложения, которые запускаются другим процессом. В эту категорию нападают службы Windows 2000 и внепроцессные (out-of-process) СОМ-серверы (СОМ out-of-process servers). Чтобы заставить отладчик прикрепиться к процессу, во многих случаях можно использовать API-функцию DebugBreak. В двух случаях, однако, эта функция работать не будет. Во-первых, она иногда не работает со службами Windows 2000. Если нужно отладить запуск службы, то вызов DebugBreak присоединит отладчик, но к тому времени, когда отладчик запустится, может быть исчерпан интервал тайм-аута службы, и Windows 2000 остановит ее. Во-вторых, DebugBreak не будет работать, когда нужно отлаживать внепроцессный СОМ-сервер. Если вы вызовете DebugBreak, обработчик СОМ-ошибок отловит исключение точки прерывания и завершит СОМ-сервер. К счастью, Windows 2000 позволяет указать, что приложение должно стартовать в отладчике. Это свойство позволяет начать отладку прямо с первой инструкции. Однако, прежде чем вы включите это свойство для службы Windows 2000, удостоверьтесь, что в этой службе сконфигурирована возможность взаимодействия с рабочим столом Windows 2000.
Свойство запуска с отладчиком можно включить двумя способами. Самый легкий - запустить утилиту GFLAGS. EXE и выбрать переключатель Image File Options (см. рис.4.1). После ввода в редактируемое поле Image File Name имени двоичного файла программы установите флажок Debugger в группе Image Debugger Options ) и введите в редактируемое поле рядом с этим флажком полный путь к отладчику.
Более трудный способ: нужно вручную установить необходимые параметры з подходящие разделы реестра (с помощью редактора RegEdit). В разделе_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Windows NTXCurrent Version\Image Tile Execution Options
создайте подраздел, имя которого совпадает с именем файла вашего приложения. Например, если имя приложения - FOO. EXE, то имя подраздела реестра тоже FOO. EXE. В этом подразделе создайте новый строковый параметр с именем Debugger. В диалоговом окне Изменение строкового параметра введите с клавиатуры полное (вместе с путем к каталогу) имя файла выбранного вами отладчика. Если вы указали GFLAGS. EXE и установили некоторые глобальные опции, то сможете заметить в ключе вашего приложения строчное значение GiobaiFiag.
Теперь при запуске вашего приложения автоматически
загружается и запускается и отладчик. Опции командной строки для отладчика
также можно определить в строковом параметре Debugger (вслед за именем
программы отладчика). Например, для того чтобы использовать отладчик WinDBG и автоматически
инициировать отладку, как только стартует WinDBG, нужно в диалоговом окне
изменения строкового параметра Debugger ввести значение d: \platform sdk\bin\windbg. exe - g.
5.1 Быстрые клавиши прерываний
Иногда нужно быстро войти в отладчик. Если вы отлаживаете
консольные приложения, то нажатие клавиш
Полезным свойством как Windows 2000, так и Windows NT 4 является возможность в
любое время переходить в отладчик также и в GUI-приложениях. При
выполнении под отладчиком нажатие клавиши
В Windows NT 4 быстрая клавиша прерывания
HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\ Microsoft\WindowsNT\CurrentVersion\AeDebug
установите для параметра userDebuggerHotKey значение кода клавиши (VK_*). Например, чтобы
использовать клавишу
Заключение
Мы рассмотрели основные черты отладки, его типы и виды, общий вопрос отладки, а также ошибки и способы их обнаружения.
Существующие отладчики играют важную роль в разработке ПО при поиске логических ошибок, предоставляя широкий набор средств, включающих поддержку исходных текстов, трассировку выполнения приложения, динамическую модификацию памяти, и. т.д.
Литература
1.. aspx?.aspx?id=553022>
2. https:
// ru. wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%82%D0%BB%D0%B0%D0%B4%D1%87%D0%B8%D0%BA
Http://bourabai.
kz/alg/debug4. htm
4. Костюхин К. - ОТЛАДКА СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ. Обзор
Эта серия статей появилась по двум причинам. Во-первых, мне нравится работать с проектом HackSysExtremeVulnerableDriver . Во-вторых, я получил массу пожеланий , чтобы осветить эту тему.
Весь код, используемый при написании этой серии, находится в моем репозитории .
В данном цикле статей мы рассмотрим написание эксплоитов уровня ядра в ОС Windows. Важно отметить, что мы будем иметь дело с известными уязвимостями, и в реверс-инжиниринге нет необходимости (по крайней мере, для драйвера).
Предполагается, что после ознакомления со всеми статьями вы будете знать все наиболее распространенные классы брешей и методы эксплуатации, а также сможете портировать эксплоиты с архитектуры x86 на архитектуру x64 (если возможно) и ознакомитесь с новыми методами защиты в Windows 10.
Схема отладки ядра
В отличие от отладки на уровне пользователя, когда приостанавливается выполнение отдельного процесса, на уровне ядра задействуется вся система, и мы не сможем воспользоваться этим методом. Соответственно, нужна отдельная отладочная машина, которая сможет осуществлять коммуникацию с системой, где отлаживается ядро, просматривать память и структуры ядра, а также отлавливать крахи системы.
Дополнительный материал для изучения:
Эксплуатация уязвимостей ядра
Этот процесс проходит намного веселее, чем эксплуатация на уровне пользователя J.
Главная цель – добиться привилегированного выполнения в контексте ядра. А дальше уже все зависит от нашего воображения, начиная от застолья с домашним пивом и заканчивая внедрением вредоносов, спонсируемых государством.
В целом, наша задача заключается в том, чтобы получить шелл с системными привилегиями.
Темы статей этого цикла
- Часть 1: Настройка рабочей среды
- Конфигурирование трех виртуальных машин и системы, которая будет выступать в роли отладчика.
- Конфигурирование отладчика WinDBG.
- Часть 2: Полезные нагрузки
- Изучение наиболее распространенных полезных нагрузок. В последующих частях будут рассматриваться конкретные уязвимости и, при необходимости, указываться ссылки на эту статью.
- Остальные части.
- Рассмотрение уязвимостей.
Жизненный цикл разработки эксплоита уровня ядра
- Нахождение уязвимости . Эта тема не будет рассматриваться в данном цикле, поскольку мы уже точно знаем, где находятся бреши.
- Перехват потока выполнения . Некоторые уязвимости предусматривают выполнение кода, для некоторых есть дополнительные требования.
- Расширение привилегий . Главная цель – получить шелл с системными привилегиями.
- Восстановление потока выполнения . Неучтенные исключения на уровне ядра приводят к краху системы. Если вы не собираетесь писать эксплоит для DoS-атаки, следует учитывать этот факт.
Типы целевых систем
Мы будем работать с уязвимостями в следующих системах (конкретная версия не принципиальна):
- Win7 x86 VM
- Win7 x64 VM
- Win10 x64 VM
Начнем с архитектуры x86, и далее будем портировать эксплоит для системы Win7 x64. Некоторые эксплоиты не будут запускать на машинах с Win10 из-за присутствия новых защит. В этом случае мы либо будем изменять логику работы эксплоита, либо будем использовать полностью другой подход.
Используемое программное обеспечение:
- Гипервизор (масса вариантов).
- Windows 7 x86 VM
- Windows 7 x64 VM
- Windows 10 x64 VM
Настройка систем для отладки
Отладочные системы, с которыми мы будем взаимодействовать, предназначены для загрузки уязвимого драйвера. На этих машинах часто будут возникать крахи, поскольку большинство исключений в ядре способствуют явлениям подобного рода. Необходимо выделить достаточно оперативной памяти для этих систем.
На каждой машине, которая будет отлаживаться, нужно сделать следующее:
- Внутри директории VirtualKD запустите файл target\vminstall.exe. Добавится новая загрузочная запись и будут доступны функции отладки и автоматическое подключение к серверу VirtualKD, установленному в системе, которая выступает в роли отладчика.
В случае с Windows 10 VM необходимо включить режим test signing, который позволяет загружать неподписанные драйвера в ядро.
После выполнения команды bcdedit /set testsinging on и перезагрузки на рабочем столе появится надпись «Test Mode».
Краткое описание модуля HEVD
Процедура DriverEntry является стартовой для каждого драйвера:
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath) {
UINT32 i = 0;
PDEVICE_OBJECT DeviceObject = NULL;
NTSTATUS Status = STATUS_UNSUCCESSFUL;
UNICODE_STRING DeviceName, DosDeviceName = {0};
UNREFERENCED_PARAMETER(RegistryPath);
PAGED_CODE();
RtlInitUnicodeString(&DeviceName, L"\\Device\\HackSysExtremeVulnerableDriver");
RtlInitUnicodeString(&DosDeviceName, L"\\DosDevices\\HackSysExtremeVulnerableDriver");
// Create the device
Status = IoCreateDevice(DriverObject,
0,
&DeviceName,
FILE_DEVICE_UNKNOWN,
FILE_DEVICE_SECURE_OPEN,
FALSE,
&DeviceObject);
- Эта процедура содержит вызов функции IoCreateDevice, содержащей имя драйвера, которое мы будем использовать во время коммуникации.
- В объект DriverObject будут добавлены нужные структуры и указатели на функции.
- Для нас важен указатель функции, связанный с процедурой DriverObject->MajorFunction , отвечающей за обработку IOCTL (I/O Control; управление вводом/выводом);
- В HEVD эта функция называется IrpDeviceIoCtlHandler , которая представляет собой большое условное выражение со множеством ответвлений для каждого IOCTL. Каждая уязвимость имеет уникальный IOCTL.
Пример: HACKSYS_EVD_IOCTL_STACK_OVERFLOW представляет собой IOCTL, используемый для активации бреши, связанной с переполнением стека.
На этом первая часть завершается. В следующей статье мы поговорим о полезных нагрузках. На данный момент доступна только полезная нагрузка, предназначенная для кражи токенов, которая будет использоваться в третьей части.
P.S. Я понимаю, что существует масса тонкостей и проблем, с которыми вы можете столкнуться. Поскольку в этом цикле основное внимание уделяется разработке эксплоитов, вам придется решать все попутные проблемы самостоятельно. Однако все возникающие вопросы вы можете задавать в комментариях.