什么是 qemu

qemu 是一款由 Fabrice Bellard 等人编写的可以执行硬件虚拟化的开源托管虚拟机,具有运行速度快(配合 kvm),跨平台等优点。

qemu 通过动态的二进制转化模拟 CPU,并且提供一组设备模型,使其能够运行多种未修改的客户机OS。

在 ctf 比赛中,qemu 多用于启动异架构(mips, arm 等)的程序、kernel 和 bootloader 等二进制程序,有时也会作为要 pwn 掉的目标。

运行模式

qemu 有多种运行模式,常用的有 User-mode emulationSystem emulation 两种。

User-mode emulation

用户模式,在这个模式下,qemu 可以运行单个其他指令集的 linux 或者 macOS/darwin 程序,允许了为一种架构编译的程序在另外一种架构上面运行

System emulation

系统模式,在这个模式下,qemu 将模拟一个完整的计算机系统,包括外围设备。

之后将分别为两种情况举例

安装 qemu

使用包管理

一般情况下,如无特殊需要(如为了运行某个 CTF 比赛中的异架构程序或者 kernel)直接使用对应的包管理直接安装即可

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    Arch: pacman -S qemu

    Debian/Ubuntu: apt-get install qemu

    Fedora: dnf install @virtualization

    Gentoo: emerge --ask app-emulation/qemu

    RHEL/CentOS: yum install qemu-kvm

    SUSE: zypper install qemu

这里只说明在 linux 下的安装过程,其他系统的安装过程请参考 官方网站

从源码编译

通过包管理安装的 qemu 版本一般较老,如果需要新版的 qemu,可以从源码编译,这里以编译最新版的 qemu 为例。

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wget https://download.qemu.org/qemu-3.1.0-rc3.tar.xz
tar xvJf qemu-3.1.0-rc3.tar.xz
cd qemu-3.1.0-rc3

通过 ./configure --help 的查看编译时的选项, --target-list 选项为可选的模拟器,默认全选

--target-list 中的 xxx-softxxx-linux-user 分别指系统模拟器和应用程序模拟器, 生成的二进制文件名字为 qemu-system-xxxqemu-xxx

安装 libsdl

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sudo apt install libsdl-dev

这里直接使用默认选项进行编译

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./configure
make -j8

继续安装

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sudo make install

成功安装

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~ qemu-arm --version
qemu-arm version 3.0.93
Copyright (c) 2003-2018 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

使用 qemu

以 CISCN 2017 的 babydriver 举例,查看启动脚本

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CISCN2017_babydriver [master●] bat boot.sh 
───────┬────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
       │ File: boot.sh
───────┼────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
   1#!/bin/bash
   23   │ qemu-system-x86_64 -initrd rootfs.cpio -kernel bzImage -append 'console=ttyS0 root=/dev/ram oops=panic panic=1' -enable-kvm -monitor /dev/null -m 64M -
       │ -nographic  -smp cores=1,threads=1 -cpu kvm64,+smep

可以看出这道题目是用 qemu-system-x86_64 启动了以 rootfs.cpio 为文件系统的 kernel bzImage,启动时的参数为 console=ttyS0 ... panic=1,为这个进程分配 64M 内存。

更多参数的含义请通过 -h 或者 qemu-doc 查看。

如果使用包管理安装 qemu,直接安装 qemu-system-x86_64 即可

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 sudo apt install qemu-system_x86-64

因为使用了 kvm,所以启动时要用 root 权限启动

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CISCN2017_babydriver [master●] sudo ./boot.sh
......
......
/ $ id
uid=1000(ctf) gid=1000(ctf) groups=1000(ctf)
/ $ ls
bin      etc      init     linuxrc  root     sys      usr
dev      home     lib      proc     sbin     tmp

这道题目的更多分析可以看 link

同样,再看下 Codegate 2018 的Melong

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Codegate2018_Melong [master] check melong
+ file melong
melong: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux.so.3, for GNU/Linux 3.2.0, BuildID[sha1]=2c55e75a072020303e7c802d32a5b82432f329e9, not stripped
+ checksec melong
[*] '/home/m4x/Projects/pwn_repo/Codegate2018_Melong/melong'
    Arch:     arm-32-little
    RELRO:    Partial RELRO
    Stack:    No canary found
    NX:       NX enabled
    PIE:      No PIE (0x10000)

可以看出是 32 位 的 arm 程序,需要安装 qemu-arm

如果使用包管理安装,则

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 $ sudo apt-get install qemu-user
 $ sudo apt-get install qemu-use-binfmt qemu-user-binfmt:i386

这样就安装了 qemu-arm

但同时因为程序是动态链接的,还需要同时安装对应的 libc,可以使用 apt search "libc6-" | grep "ARCH" 搜索,如

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Codegate2018_Melong [master] apt search "libc6-"| grep arm
p   libc6-arm64-cross                                                       - GNU C Library: Shared libraries (for cross-compiling)                             
v   libc6-arm64-dcv1                                                        -                                                                                   
v   libc6-armel-armel-cross                                                 -                                                                                   
p   libc6-armel-armhf-cross                                                 - Dummy package to get libc6:armel installed                                        
p   libc6-armel-cross                                                       - GNU C Library: Shared libraries (for cross-compiling)                             
v   libc6-armel-dcv1                                                        -                                                                                   
p   libc6-armhf-armel-cross                                                 - Dummy package to get libc6:armhf installed                                        
v   libc6-armhf-armhf-cross                                                 -                                                                                   
p   libc6-armhf-cross                                                       - GNU C Library: Shared libraries (for cross-compiling)                             
v   libc6-armhf-dcv1                                                        -                                                                                   
p   libc6-dbg-arm64-cross                                                   - GNU C Library: detached debugging symbols (for cross-compiling)                   
v   libc6-dbg-arm64-dcv1                                                    -                                                                                   
p   libc6-dbg-armel-cross                                                   - GNU C Library: detached debugging symbols (for cross-compiling)                   
v   libc6-dbg-armel-dcv1                                                    -                                                                                   
p   libc6-dbg-armhf-cross                                                   - GNU C Library: detached debugging symbols (for cross-compiling)                   
v   libc6-dbg-armhf-dcv1                                                    -                                                                                   
p   libc6-dev-arm64-cross                                                   - GNU C Library: Development Libraries and Header Files (for cross-compiling)       
v   libc6-dev-arm64-cross:i386                                              -                                                                                   
v   libc6-dev-arm64-dcv1                                                    -                                                                                   
v   libc6-dev-armel-armel-cross                                             -                                                                                   
p   libc6-dev-armel-armhf-cross                                             - Dummy package to get libc6-dev:armel installed                                    
p   libc6-dev-armel-cross                                                   - GNU C Library: Development Libraries and Header Files (for cross-compiling)       
v   libc6-dev-armel-cross:i386                                              -                                                                                   
v   libc6-dev-armel-dcv1                                                    -                                                                                   
p   libc6-dev-armhf-armel-cross                                             - Dummy package to get libc6-dev:armhf installed                                    
v   libc6-dev-armhf-armhf-cross                                             -                                                                                   
p   libc6-dev-armhf-cross                                                   - GNU C Library: Development Libraries and Header Files (for cross-compiling)       
v   libc6-dev-armhf-cross:i386                                              -                                                                                   
v   libc6-dev-armhf-dcv1                                                    -    

只需要安装 libc6-ARCH-cross 的包即可。

装好后使用 -L 指定共享库路径即可运行文件。

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$ qemu-arm -L /usr/arm-linux-gnueabi ./melong

这道题目的更多分析可以看 link

如果是静态的程序,不需要 libc,则可以不用 -L 选项,如 Jarvis-OJ 的 typo

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jarvisOJ_typo [master] check ./typo
+ file ./typo
./typo: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), statically linked, for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=211877f58b5a0e8774b8a3a72c83890f8cd38e63, stripped
+ checksec ./typo
[*] '/home/m4x/Projects/pwn_repo/jarvisOJ_typo/typo'
    Arch:     arm-32-little
    RELRO:    Partial RELRO
    Stack:    No canary found
    NX:       NX enabled
    PIE:      No PIE (0x8000)
jarvisOJ_typo [master] qemu-arm ./typo
Let's Do Some Typing Exercise~
Press Enter to get start;
Input ~ if you want to quit
^C

如何 debug

分两种情况

  1. 调试 qemu 这个进程
  2. 调试 qemu 内运行的程序

调试 qemu

对于第一种情况,直接使用 gdb attach 到 qemu 的进程号即可,为了调试时方便可以在编译时加上 --enable-debug 选项以保留符号等信息。

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  --enable-debug           enable common debug build options

在之后的 qemu 逃逸中会着重介绍这个过程。

调试 qemu 中的进程

qemu 提供了 gdb 的接口,通过 -g 指定端口来调用

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-g port              QEMU_GDB          wait gdb connection to 'port'

同时为了调试异架构的程序,需要安装 gdb-multiarch

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sudo apt install gdb-multiarch

例如 Melong 中,使用

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$ qemu-arm -g 1234 -L /usr/arm-linux-gnueabi ./melong

启动程序,在另一个 shell 中使用 gdb-multiarch 启动程序并连接到指定的端口即可调试

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Codegate2018_Melong [master] gdb-multiarch ./melong -q
pwndbg: loaded 175 commands. Type pwndbg [filter] for a list.
pwndbg: created $rebase, $ida gdb functions (can be used with print/break)
Reading symbols from ./melong...(no debugging symbols found)...done.
pwndbg> target remote localhost:1234

使用 gdb-multriarch 可以调试大多数的程序。

但也有部分程序不能使用 gdb-multiarch,这时可以编译对应架构的 Toolchain,如 arm-none-eabi-gdb

或者使用系统模式的 qemu 创建一个对应架构的虚拟机,文末放了一片链接,以后也会介绍这种方法。

特别的是系统模式的 qemu 还提供了另外几个参数

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-gdb dev        wait for gdb connection on 'dev'
-s              shorthand for -gdb tcp::1234
-S              freeze CPU at startup (use 'c' to start execution)

-gdb 作用类似 -g,使用 -gdb tcp::1234 即可在 gdb 中通过 1234 端口调试。

-s-gdb tcp::1234 的缩写

-S 让虚拟机停在启动的地方方便调试,类似于 pwntools 的 gdb.debug()

Reference

https://wiki.qemu.org/Main_Page

https://qemu.weilnetz.de/doc/qemu-doc.html

https://wiki.qemu.org/Documentation

https://en.wikipedia.org/wiki/QEMU

https://www.ringzerolabs.com/2018/03/the-wonderful-world-of-mips.html