基于QEMU的动态函数调用跟踪

发布时间：2019-07-11 12:13

【摘要】：函数调用一直是Linux内核分析研究领域的重点.获得函数调用信息主要有2种方法:静态分析和动态分析.动态跟踪方法可实时和准确地获取函数调用关系信息,在分析和调试软件程序时有极大的帮助作用.针对现有工具存在跟踪信息不全面、需要编译选项支持等不足,基于开源的QEMU模拟器,设计并实现了支持多种CPU平台的通用动态函数调用跟踪工具,可在x86_32,x86_64,ARM共3种体系架构上动态跟踪包括Linux内核启动过程在内的函数调用和返回信息.该工具在程序运行时截获调用和返回的指令,并记录相关信息,利用此种指令只会在QEMU翻译块的最后一条出现的性质,减少检查指令的数量,提高运行效率;可不依赖源代码,只依据函数符号表进行函数调用关系分析.实验结果表明:跟踪和分析结果与源代码行为一致,相比于S2E提升了分析性能和支持的CPU平台种类,且能更好地扩展至其他平台.
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图片说明： 使用而不是再重新翻译．而考虑到避免在控制代码和客户机代码之间因为经常跳转所带来的开销，ＱＥＭＵ又使用了块链接的机制，即翻译好代码块后就尝试将其与之前的翻译块链接起来，如果之前的翻译块与这个将要执行的翻译块的客户机代码不跨内存分页的话，则在它们之间建立直接跳转，形成链表，这样大部分的跳转是在翻译块之间进行的，它们处于同一个运行时上下文，因此没有返回ＱＥＭＵ代码时所需的切换上下文等复杂的操作［１０］，如图１所示：Ｆｉｇ．１ＱＥＭＵｂｌｏｃｋｃｈａｉｎｉｎｇ图１ＱＥＭＵ块链接示意图ＱＥＭＵ的运行流程是启动后从客户机的第１条代码开始，首先查看客户机当前的指令指针（ｐｒｏｇｒａｍｃｏｕｎｔｅｒ，ＰＣ）对应的翻译块是否在翻译缓存中，如果没有的话则进行翻译，并加入翻译缓存后再执行；否则直接执行缓存好的代码，如此循环，如图２所示：Ｆｉｇ．２ＱＥＭＵｅｘｅｃｕｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ图２ＱＥＭＵ运行流程图本文要解决的核心问题是：如何在多种平台下如ｘ８６和ＡＲＭ中动态地获取函数调用与返回的信息，生成函数调用关系数据，保证完整和全面；同时考虑到性能，提高执行速度，减少模拟速度慢导致的软件运行异常．１．２设计思路如１．１节所述，ＱＥＭＵ模拟器使用动态二进制翻译技术，，所有指令在执行前都会被翻译，所以可以通过在翻译时识别函数调用和返回指令，对代码块进行标记．在执行这些块之前使用ＱＥＭＵ提供的ＡＰＩ获取如时间、读取客户机内存中的进程标识、线程标志等信息，利用ＱＥＭＵ已有的输出日志功能保存到文件中．其中需要额外注意的是信息的完整和全面性问
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图片说明： 因此没有返回ＱＥＭＵ代码时所需的切换上下文等复杂的操作［１０］，如图１所示：Ｆｉｇ．１ＱＥＭＵｂｌｏｃｋｃｈａｉｎｉｎｇ图１ＱＥＭＵ块链接示意图ＱＥＭＵ的运行流程是启动后从客户机的第１条代码开始，首先查看客户机当前的指令指针（ｐｒｏｇｒａｍｃｏｕｎｔｅｒ，ＰＣ）对应的翻译块是否在翻译缓存中，如果没有的话则进行翻译，并加入翻译缓存后再执行；否则直接执行缓存好的代码，如此循环，如图２所示：Ｆｉｇ．２ＱＥＭＵｅｘｅｃｕｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ图２ＱＥＭＵ运行流程图本文要解决的核心问题是：如何在多种平台下如ｘ８６和ＡＲＭ中动态地获取函数调用与返回的信息，生成函数调用关系数据，保证完整和全面；同时考虑到性能，提高执行速度，减少模拟速度慢导致的软件运行异常．１．２设计思路如１．１节所述，ＱＥＭＵ模拟器使用动态二进制翻译技术，所有指令在执行前都会被翻译，所以可以通过在翻译时识别函数调用和返回指令，对代码块进行标记．在执行这些块之前使用ＱＥＭＵ提供的ＡＰＩ获取如时间、读取客户机内存中的进程标识、线程标志等信息，利用ＱＥＭＵ已有的输出日志功能保存到文件中．其中需要额外注意的是信息的完整和全面性问题，ＱＥＭＵ原本的块链接机制会造成其中的一些函数调用由于没有返回到主控代码中而无法输出到日志中，因此需要禁用块链接，每次执行翻译块之后都会返回控制代码中检查是否发生了函数调用或返回，保证能够获取到所有的函数调用关系．Ｆｉｇ．３Ｄｙｎａｍｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｃａｌｌｔｒａｃｉｎｇａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ图３动态函数调用跟踪的
【作者单位】： 清华大学计算机科学与技术系;北京理工大学计算机学院;
【基金】：“核高基”国家科技重大专项基金项目(2012ZX01039-004-41,2012ZX01039-003)~~
【分类号】：TP316.81

【参考文献】

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【共引文献】

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【二级参考文献】

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本文编号：2513149