使用KGDB实现Android内核调试（linux kgdb 调试）

翻译：myswsun

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前言

内核调试给了安全研究员在分析时一个监视和控制设备的工具。在桌面平台如Windows、macOS和linux，非常简单实现。然而，在安卓设备，例如谷歌Nexus 6P，上面内核调试很困难。本文，我将描述一种在安卓设备上面内核调试的方法，而且不需要特殊硬件。

实现

Joshua J.Drake和Ryan Smith为了这个目的构建了一个UART debug cable，能很好的完成内核调试。然而一些人不擅长硬件环境构建，这将变得困难。还好，通过serial-over-usb通道也能完成内核调试。

这个方法可以追述到2010年，意味着一部分指令现在已经过时了。我发现仍然使用此方法的一些关键点可以在现代Android设备上使用。研究员用调试来判断CPU执行的状态，能加快分析。但是这个过程如何实现？

Android用的是linux内核，内置了内核调试器KGDB，KGDB依赖连接调试设备和目标设备的串口。典型场景如下：

图1. KGDB工作模式

目标设备和调试设备使用串口电缆相连。用户在调试设备上面使用GDB附加到串口（如/dev/ttyS1）目标设备，命令是target remote /dev/ttyS1。之后，GDB能和目标设备上的KGDB通过串口电缆通信。

KGDB的核心组件处理真正的调试任务，例如设置断点和获取内存数据。KGDB的输入输出组件连接KGDB核心组件和底层串口驱动的关键。

然而，Android设备通常没有硬件串口。第一个挑战便是如何找到一个通道，能够用GDB向外发送调试信息。多种通道被使用了，但是最特别的解决方案是USB电缆。

Linux内核USB驱动支持USB ACM class devices，能仿真一个串口设备。简言之，一个Android设备能通过USB电缆连接串口设备。所有这一切都在已经是Linux内核一部分的代码中了，因此我们不比增加代码。下面是激活调试功能的步骤：

1. 构建一个AOSP的版本和相应的linux内核，参考在此。

2. 用USB电缆将目标设备和调试机器相连。

3. 用fastboot命令将映像写入设备，fastboot flashall –w。

4. 运行adb命令启动网咯服务：adb tcpip 6666。

5. 在调试机器上面，运行adb连接设备：adb connect <device ip> 6666。

6. 运行adb shell：adb shell。

7. 在adb shell中，到USB驱动控制文件夹中/sys/class/android_usb/android0/。

8. 在adb shell中，用下面的命令启动USB ACM功能：

到这里，USB ACM功能应该启用了。两步验证是否生效：首先，在adb shell中，用ls /dev/ttyGS*。一个设备文件应该存在。再者，在调试机器上面，用ls /dev/ttyACM*。也应该存在一个设备文件。调试机器和目标设备用这两个文件通信。

第二个挑战是KGDB需要底层通信驱动（串口驱动或者USB驱动）来提供一个轮询的接口用于读写。为什么？因为KGDB的通信通道需要在KGDB的内核异常处理函数中工作。在那个上下文中，中断被禁用了并且只有一个CPU起作用。底层驱动不依赖中断并且需要轮询改变寄存器或内存I/O空间。不要在这个上下文使用休眠和自旋锁。

这个Nexus 6P使用DWC3控制器来完成USB连接。这个USB驱动不直接提供轮询功能。因此我们需要在DWC3设备驱动中添加这个特性。代码后面的概念是简单的：我已经移除了中断依赖。相反的是我是用循环去查询相应的寄存器修改和内存空间。为了使事情简单，我做了以下的事情：

1. 我在kgdboc.c文件中的kgdboc_init_jack函数中硬编码了ACM设备文件名/dev/ttyGS0。

2. 我改变了f_acm/acm_transports函数启用了KGDB。这将允许用简单的命令开启KGDB: echo kgdb > f_acm/acm_transports

下图是KGDB的工作模式：

图2. 新的KGDB的工作模型

这里是整合代码到内核代码的步骤。虽然你能用任何内核代码，但是我采用谷歌自身的仓库，指定分支origin/android-msm-angler-3.10-nougat-hwbinder。

1. 用下面的配置编译内核代码：

2. 用fastboot命令刷新内核和Android映像到目标设备。

3. 在调试机器上面启动Android系统。运行以下命令启动网络服务：adb tcpip 6666。

4. 在调试机器上，运行以下命令：

5. 在adb shell中，运行以下命令：

6. 在调试机器上面，运行gdb。Nexus 6P有一个aarch64的内核，因此需要aarch64版本的gdb。

7. 在adb shell中，输入以下命令：

注意：在第6步和第7步之间的时间间隔不能太长。越短越好。

8. 如果成功了，GDB会有以下输出：

图3. GDB输出

我已经用这个方法在Nexus 6P上面实现了内核调试。这个方法应该也支持Google Pixel，因为他们也使用DWC3 USB控制器。

总结

我们希望分享这个技术能够帮组到其他Android研究者，使得更好的理解移动恶意软件的行为。调试有助于研究者更好的逆向分析，也能更清楚的理解Android设备上面恶意程序如何作为。