Linux下的Rootkit驻留技术分析

前言

Linux作为服务器和IoT设备使用的主要操作系统,针对它的恶意软件也层出不穷。针对Linux设备的恶意软件（以下称为rootkit）通常需要长期驻留于目标操作系统以达到获利目的，所以如何实现驻留也是Linux rootkit作者的重点考虑内容之一，对此，天融信阿尔法实验室进行了可能的思路探索和分析。

在接下来的说明中，我们统一使用一个名为evil的静态链接ELF文件作为我们要实现驻留的rootkit，所有的驻留尝试均围绕这个程序展开。

技术汇总

1. 用户态下的可利用点

1.1 各种init的利用

Linux init

在systemd成为主流之前，sysvinit是大多数发行版的选择，即使是Ubuntu之前使用的upstart，和sysvinit也是完全兼容的，直到今天，Debian系发行版仍保留sysvinit的兼容性。作为Linux的init程序，也就是PID 1，负责启动之后的所有进程，所有的服务都是由它管理，因此它是实现rootkit驻留的最常见手段。

对于传统的sysvinit，常见的驻留点都需要以root身份写入：

/etc/init.d
/etc/rc[runlevel].d
/etc/rc.local

其实sysv的服务文件就是遵循sysv规范的shell脚本，它在嵌入式设备中也很常见。给出一个sysv风格的服务文件如下：

#!/bin/sh

PATH=/bin:/usr/bin:/sbin:/usr/sbin
DESC="cron daemon"
NAME=cron
DAEMON=/usr/sbin/cron
PIDFILE=/var/run/crond.pid
SCRIPTNAME=/etc/init.d/"$NAME"

test -f $DAEMON || exit 0

. /lib/lsb/init-functions

[ -r /etc/default/cron ] && . /etc/default/cron

parse_environment() {
    for ENV_FILE in /etc/environment /etc/default/locale; do
        [ -r "$ENV_FILE" ] || continue
        [ -s "$ENV_FILE" ] || continue

        for var in LANG LANGUAGE LC_ALL LC_CTYPE; do
            value=$(egrep "^${var}=" "$ENV_FILE" | tail -n1 | cut -d= -f2)
            [ -n "$value" ] && eval export $var=$value

            if [ -n "$value" ] && [ "$ENV_FILE" = /etc/environment ]; then
                log_warning_msg "/etc/environment has been deprecated for locale information; use /etc/default/locale for $var=$value instead"
            fi
        done
    done

    # Get the timezone set.
    if [ -z "$TZ" -a -e /etc/timezone ]; then
        TZ=$(cat /etc/timezone)
    fi
}

# Parse the system's environment
if [ "$READ_ENV" = "yes" ]; then
    parse_environment
fi

case "$1" in
start)
    log_daemon_msg "Starting periodic command scheduler" "cron" # 这一行是我们修改的目标
    start_daemon -p $PIDFILE $DAEMON $EXTRA_OPTS
    log_end_msg $?
    ;;
stop)
    log_daemon_msg "Stopping periodic command scheduler" "cron"
    killproc -p $PIDFILE $DAEMON
    RETVAL=$?
    [ $RETVAL -eq 0 ] && [ -e "$PIDFILE" ] && rm -f $PIDFILE
    log_end_msg $RETVAL
    ;;
restart)
    log_daemon_msg "Restarting periodic command scheduler" "cron"
    $0 stop
    $0 start
    ;;
reload | force-reload)
    log_daemon_msg "Reloading configuration files for periodic command scheduler" "cron"
    # cron reloads automatically
    log_end_msg 0
    ;;
status)
    status_of_proc -p $PIDFILE $DAEMON $NAME && exit 0 || exit $?
    ;;
*)
    log_action_msg "Usage: /etc/init.d/cron {start|stop|status|restart|reload|force-reload}"
    exit 2
    ;;
esac
exit 0

我们在start case中做些修改，使之在启动时执行我们的evil程序：

对于systemd，我们可以用更多手段实现驻留，甚至不需要root权限也可以：

/etc/systemd/system
/etc/systemd/user
/lib/systemd/system
/lib/systemd/user
~/.local/share/systemd/user
~/.config/systemd/user

以下是一个利用systemd服务文件的示例：

systemctl --user enable service 可以使服务随用户登录启动， systemctl enable service 可以让服务随系统启动。

bashrc

bashrc或者zshrc等文件会随着shell的运行而被执行，利用时只需在里面加入恶意的shell script即可。

常见位置：

/etc/profile
~/.bashrc
~/.bash_profile
~/.bash_logout

示例如下：

xinitrc

如果目标主机有安装Xorg，我们也可以以下位置写入shell script实现rootkit驻留，不需要root权限。

～/.xinitrc
~/.xserverrc
/etc/X11/xinit/xinitrc
/etc/X11/xinit/xserverrc

其它initrc

任何应用程序都可能在启动时执行代码，而且它们很可能会执行用户home目录的rc文件。例如，我们甚至可以在vimrc里 写入vimscript来执行代码实现rookit的驻留，这同样不需要root权限。

一个可能的示例如下：

1.2 图形化环境的利用

虽然标准的服务器版Linux发行版是不会预装Xorg的，但还是存在相当一部分用户使用CentOS预装gnome2的版本作为服务器操 作系统。因此，基于gnome等桌面环境和Xorg的驻留有时候也是重要的而且会容易被忽略的手段。

XDG autostart for system

/etc/xdg/autostart下的desktop文件会被主流桌面环境在启动时执行。一个可能的示例如下：

XDG autostart for user

类似的，用户可以在自己的~/.config/autostart目录下加入需要自启动的desktop文件。

1.3 crond的利用

这是一个很常见的驻留点，但需要注意的是，很多恶意软件并不仅仅会把自己写入用户的crontab（如/var/spool/cron/root），它们会把自己写入软件包使用的crontab里面，如/etc/cron.d，这样更不容易引起用户注意。

1.4 替换文件

替换或者patch一些会被服务或用户本身执行的程序文件，以同时执行恶意代码，也是很常见的驻留方式。

我们可以方便的获取到开源项目的源码，进行修改，加上我们的恶意代码并重新编译，替换目标系统的相应文件。这样我们的代码就会随之执行。

下面我们修改openssh portable 7.9的源码，使之在特定条件下执行我们的代码：

这里修改的函数是uncompress_buffer，用于处理压缩传输的ssh连接。我们需要触发它的时候，只需发起一个ssh -C即可。

如果没有源码，我们同样可以给现有的binary注入shellcode，不过这种实现达到的功能相对有限，且可能会导致原文件损坏 。下面使用backdoor-factory进行shellcode注入，这个工具支持自定义shellcode：

如果我们的目标主机是git或svn服务器，有机会接触到项目源码的话，也可以通过修改目标的源码植入恶意代码，或者把编译环境动手脚，在项目构建时插入恶意代码，比如在configure脚本里或者Makefile里插入代码，既可以在本机运行，又有可能在编译之后在更多主机（取决于项目用途）上运行，进一步扩大感染范围。这个思路也是当年中国xcode事件黑客的思路。

1.5 动态链接库劫持

替换动态链接库

libc会被几乎所有的ELF调用，而特定的lib则会被特定的ELF调用，只要某个ELF的执行概率够高，我们同样可以用我们重新编译的恶意so替换掉它所链接的某个so文件，达到执行恶意代码的效果。

当然，以这种思路来看，替换掉整个libc也是未尝不可的。

下面以sshd的动态链接库为例，sshd使用的so文件如下：

libz.so.1看上去像是zlib的文件，可以验证一下：

那么我们可以去下载zlib源码，在可能会被调用的函数里加上我们的私货。

经过grep搜索openssh portable 7.9的源码，可以看到packet.c使用了zlib的函数：

确定了我们需要注入代码的函数，就可以去修改zlib源码了，在inflate.c的inflate函数里加入简单的system调用，来执行我们的evil程序：

完成修改之后我们make构建项目，然后用我们的恶意libz.so替换原本的文件。

此处修改的zlib，通常只会在ssh客户端指定了使用压缩时，才会被使用。所以我们需要使用ssh -C命令去测试。

提醒一点，作为动态链接库，它们的函数可能被频繁调用，我们在利用的时候要避免造成不必要的负载。另外，由于大部分程序都是动态链接库文件，我们也需要格外小心，避免加入的代码调用的程序最终往回调用我们修改的库文件本身（尤其是在修改libc的时候），造成死循环，导致系统停止响应。

ld.so.preload

最常见的实现是在/etc/ld.so.preload中写入我们需要让libc执行的so文件，或者设置LD_PRELOAD环境变量，这样，任何依赖系统libc的user space程序，都会在运行之前执行我们的so文件，从而实现了有效的rootkit驻留（鉴于几乎所有目标主 机都是动态编译的，几乎所有程序都要使用系统libc）。

下面我们编写一个简单的恶意so（shared object）作为说明：

这里的恶意so将编译为libevil.so。通常的lib都是为主程序提供库函数的，只有被调用的代码才会被执行，于是我们需要 解决的第一个问题是让我们的代码在lib被加载时直接自动运行。类似于Windows下的DllMain，gcc提供了function attributes，我们可以用形如__attribute__((constructor))的attribute来达到目的。对应的，__attribute__((destructor)) 则会在lib被unload的时候执行。

具体解释见官方文档：

我们使用如下代码构建libevil，这里有一个坑，execl函数只有出错时才返回，如果使用它执行了外部程序,那么在外部程 序执行完之后，libevil将会退出当前进程(也就是我们本来要执行的进程)，使任何ELF都无法正常执行。解决方法是使用​ fork​ 函数创建子进程，在子进程里执行​execl​启动外部程序。

使用如下命令构建我们的​ libevil.so​：

设置​LD_PRELOAD​环境变量，使我们的libevil在ld执行任何ELF之前被执行。

需要注意的是，我们的libevil会在每个动态ELF执行之前被执行，如果在其中调用了外部的动态ELF，那个ELF执行时会再次调用libevil，就会造成死循环，使系统处于不可用状态。

我们也可以在libevil里实现rootkit的所有功能。

2. 内核态的驻留

传统的rootkit就是指这类恶意软件，对于Linux rootkit来说，最有效的方法就是把自己作为kernel module加载，因为大多数Linux目标都是允许动态加载kernel module的。

在kernel space里运行恶意代码的好处显而易见，由于大部分审计工具都在user space运行，管理员通常很难发现恶意软件的存在，这就带来了上面的方法所不能达到的隐蔽性。

2.1 LKM – 可加载内核模块

目前有一些开源的LKM (Loadable Kernel Modules) 木马demo，比较有代表性的是Reptile，它使用自己的kernel module实现了隐藏和驻留。

下面我们使用这个思路来实现一个简单的内核恶意代码执行：

这里的LKM实现比较简单，只是在加载和退出的时候执行了两个shell脚本，并使用printk输出了内核调试信息。我们只需定义两个函数分别用于initialize和exit即可完成LKM的主体框架了，module.h会有相应函数module_init和module_exit用来实现。

MODULE_LICENSE也需要设置，因为Linux是GPL授权，我们需要声明兼容的授权协议，否则Linux会提示tainted kernel（虽然不影响正常使用，但会比较容易引起注意）。编译LKM的方法可以参考Linux内核文档，或者直接参考现有的LKM项目的Makefile，这里的Makefile内容如下：

LKM代码如下，使用user space helper达到了执行外部程序的目的：

使用insmod命令动态加载LKM到内核，立即生效：

下面是dmesg的相关输出：

LKM执行恶意代码有比较大的局限性，因为必须针对相同内核版本编译才能正常使用，从而引入了Linux headers的依赖，实现大范围传播的难度较大。防范此类攻击（也是最危险和隐蔽的一种）的最有效方法就是关闭Linux的动态模块加载功能，对于大多数Linux服务器，关掉这个功能通常不会造成额外影响。

2.2 initrd的利用

Reptile会把自己写入/etc/rc.modules以便在系统启动时插入自己的module。但通过initrd实现更加隐蔽可靠。initrd即init ram disk，用于提供一个基本的环境以便启动完整的Linux。

鉴于initrd很少受到关注和保护，它又一定会在启动时被加载入内存，我们可以在这个内存文件系统中插入自己的LKM并修改init脚本使我们的LKM在启动时被加载，从而实现恶意代码执行。

这里以Kali（Linux 4.18，基于Debian Sid）为例，分析可能的利用点：

下图是init脚本functions定义中，加载自定义kernel module的函数，我们可以把自己的LKM放到modules目录下（例如 ./usr/lib/modules/4.17.0-kali3-amd64/kernel），然后在 ./conf/modules里写上自己的LKM，我们的LKM就会随着initrd加载到内核。

或者我们也可以直接在load_modules函数内增加modprobe操作来加载恶意LKM。