本文主要面向对内核漏洞挖掘与调试没有经验的初学者，结合 CVE-2022-0847——著名的 Dirty Pipe 漏洞，带你从零开始学习 Linux 内核调试、漏洞复现、原理分析与漏洞利用。该漏洞危害极大，并且概念简单明了，无需复杂前置知识即可理解和复现。

文章涵盖以下主要内容：

环境搭建的调试脚本已经上传github：Brinmon/KernelStu

源码下载路径：Index of /pub/linux/kernel/v5.x/
编译教程：kernel pwn从小白到大神(一)-先知社区

检查勾选配置：

构建最小根文件系统（基于BusyBox）

配置磁盘镜像
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安装Qemu：

安装pwndbg：

gdb.sh

start.sh

系统调用实现原理
Linux 系统调用是用户空间与内核交互的核心接口，其实现依赖于架构相关的中断机制（如 x86 的int 0x80或syscall指令）和系统调用表（sys_call_table）。每个系统调用通过唯一的系统调用号索引，对应内核中的sys_xxx函数。例如，open系统调用在内核中对应fs/open.c中的sys_open函数。

添加系统调用号

在linux源码中寻找到这个，手动添加系统调用号！

第一列是系统调用号，第二列表示该系统调用适用的架构类型（如common表示通用架构），第三列是系统调用的名称（在用户空间使用的名称），第四列是内核中对应的系统调用实现函数名。若要添加新的系统调用号，需按照此格式在文件中新增一行，并确保系统调用号的唯一性。

声明系统调用
系统调用的声明通常位于include/linux/syscalls.h文件中。以read系统调用为例，其声明如下：

asmlinkage关键字用于指示编译器该函数是从汇编代码调用的，这在系统调用中很常见，因为系统调用的入口点通常由汇编代码处理。函数声明明确了系统调用的返回类型（这里是long）、参数类型及名称。其中，char __user *类型表示指向用户空间内存的指针，用于确保内核在访问该指针时进行必要的安全检查，防止内核非法访问用户空间内存。

定义系统调用
系统调用的实现代码位置较为灵活。若不想修改makefile文件的配置，可将系统调用的实现放置在kernel/sys.c文件中。当然，为了更好的代码组织和管理，系统调用号也可分类放置在不同的文件夹中：
1. 核心系统调用目录
**(1) **kernel/：功能类型：进程管理、信号处理、定时器等核心功能。
**(2) **fs/：功能类型：文件系统操作、文件读写、目录管理等。
**(3) **mm/：功能类型：内存管理、映射、堆分配等。
**(4) **net/：功能类型：网络通信、套接字操作。
**(5) **ipc/ ：功能类型：进程间通信（IPC）。

SYSCALL_DEFINE 宏解析,系统调用号实现的具体，SYSCALL_DEFINE** 宏** 的书写规范与核心规则：

根据这个方法可以找到read系统调用的函数实现：

 f_op 结构体原理
struct file_operations（简称f_op）定义了文件操作的函数指针，如open、read、write等。内核通过file->f_op调用这些函数，具体实现由文件系统（如 ext4、NFS）或设备驱动提供。

例如，在 ext4 文件系统中，当用户空间执行open操作打开一个文件时，内核会根据该文件对应的file结构体中的f_op指针，找到并调用 ext4 文件系统中定义的open操作函数。这个函数会处理诸如检查文件权限、打开文件描述符等具体操作。在设备驱动场景下，对于块设备驱动，其f_op中的read和write函数会负责与硬件设备进行数据交互，将数据从设备读取到内核缓冲区或从内核缓冲区写入设备。
可以查看一下write的源码实现发现调用了，file->f_op->write_iter函数但是无法找到其源码实现！

下面结合源码进行讲解。假设我们要分析ext4文件系统中read操作的f_op函数实现。首先，在fs/ext4/file.c文件中，可以找到ext4_file_operations结构体的定义：

这里，.read_iter成员指向了ext4文件系统中read操作的具体实现函数ext4_file_read_iter。当用户空间执行read系统调用时，内核在处理过程中，若涉及到ext4文件系统的文件，就会通过file->f_op->read_iter来调用ext4_file_read_iter函数，从而完成read操作的具体功能，如从磁盘读取数据并填充到用户提供的缓冲区中。

GDB动态调试定位f_op 结构体所使用的函数
定位一下：pipe_buf_confirm函数

在源码下完断点之后，来到该调用的位置，在使用gdb命令就饿可以定位到buf->ops的具体值，从而在源码中定位函数的具体实现！

编译完成内核之后，可借助 AI 工具为内核源码添加代码注释，但需注意不能改变 Linux 源码的结构。由于动态调试时是直接索引到源码，如果改变源码的代码行数或者增加过多文本数量，都会打乱调试时的源码定位。因此，在使用 AI 添加提示词时，应将注释加在每行代码的后面。

常用的提示词,也可以自己优化:

在使用gdb调试源码时，常用的命令如下：

为了让gdb能正确索引到内核源码，需要修改.gdbinit文件添加源码索引。例如：

set disassembly-flavor intel命令设置gdb的反汇编风格为 Intel 格式，这样在调试时显示的汇编代码更易阅读。

在 Linux 系统中，pipe是一种进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）机制。它允许两个或多个进程通过一个共享的缓冲区来传递数据，实现进程之间的通信。从系统调用的角度来看，通过pipe系统调用可以创建一个管道。

在终端中输入man 2 pipe可以查看其详细手册:

当调用pipe系统调用时，它会在内核中创建一个管道对象，并返回两个文件描述符，一个用于写入（通常称为写端，fd[1]），另一个用于读取（通常称为读端，fd[0]）。数据从写端写入管道，然后可以从读端读取出来，遵循先进先出（FIFO，First-In-First-Out）的原则。

从内核代码角度看，pipe系统调用的定义如下：

这里的SYSCALL_DEFINE1宏定义了一个接受一个参数的系统调用，该参数fildes是一个指向用户空间数组的指针，用于存储返回的文件描述符。实际的管道创建工作由do_pipe2函数完成：

do_pipe2函数首先调用__do_pipe_flags来创建管道，并获取两个文件描述符。如果创建成功，它会尝试将这两个文件描述符复制到用户空间的fildes数组中。若复制失败，函数会清理已分配的资源并返回错误。

进一步深入内核实现，__do_pipe_flags函数会调用create_pipe_files，最终调用到get_pipe_inode函数，该函数负责创建管道的核心数据结构：
可以追踪到系统调用链：do_pipe2->__do_pipe_flags->create_pipe_files->get_pipe_inode

get_pipe_inode函数主要完成以下几个关键步骤：

在Linux内核中，管道（Pipe）通过struct pipe_inode_info和struct pipe_buffer两个核心结构体实现进程间通信（IPC）的底层管理。

1. 环形缓冲区与指针管理

在内核实现中，管道缓存空间总长度一般为 65536 字节，以页为单位进行管理，总共 16 页（每页大小为 4096 字节）。这些页面在物理内存中并不连续，而是通过数组进行管理，从而形成一个环形链表。其中，维护着两个关键的指针：

2. 内存页与缓冲区数组

管道数据存储在离散的物理内存页中，通过struct pipe_buffer数组（bufs）管理：

管道本质是一个由内核维护的环形缓冲区，通过head和tail指针实现高效的数据读写：
可以看一个Pipe缓冲区的实际示意图：

这张图片展示了一个 pipe 的基本数据结构，具体是如何通过循环缓冲区（circular buffer）来管理数据传输。

或者参考一下这个结构图:

当我们使用read和write向pipe进行数据写入和读取的时候,read和write会寻找到pipe_write和pipe_read进行数据写入和读取!
根据前面的管道结构体的讲解可知,pipe_write和pipe_read进行数据操作的时候实际都是对pipe->buf的内容进行写入和读取!

数据写入管道的操作由内核中的pipe_write函数负责。在数据写入过程中，pipe_write会调用copy_page_from_iter函数来完成从用户空间到内核管道缓冲区的实际数据复制。下面对pipe_write函数的执行流程进行详细拆解：

写入流程：数据按页写入bufs[head]，更新head指针；若缓冲区满，写进程进入睡眠。
在pipe_write函数写入数据过程中，获取管道的写指针head，通过head & mask的运算，在pipe->bufs数组中定位当前用于写入的缓冲区buf。这里的mask是根据管道缓冲区总数计算得出的掩码，用于实现环形缓冲区的循环访问。最后调用copy_page_from_iter函数，将用户空间的数据从from迭代器中复制到内核分配的页面中，完成数据写入操作。

写入标记：

可以发现这里当第一次向管道写入数据的时候会将pipe->bufs[i]->flags字段赋值为PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE,如果是网络数据通过pipe传输的话就会赋值PIPE_BUF_FLAG_PACKET;

如果想继续在管道写入数据会首先检查buf->flags字段和buf->page是否有剩余空间,再次调用pipe_write可以继续向这个buf->page写入数据!

数据从管道中读取的操作由内核中的pipe_read函数负责。在读取过程中，pipe_read会调用copy_page_to_iter函数来完成从内核管道缓冲区到用户空间的实际数据复制。下面对pipe_read函数的执行流程进行详细拆解：

读取流程：从bufs[tail]读取数据，更新tail指针；若缓冲区空，读进程阻塞。
获取管道的读指针tail，通过tail & mask的运算，在pipe->bufs数组中定位当前用于读取的缓冲区buf。再调用copy_page_to_iter函数，将缓冲区buf中的数据从指定偏移量buf->offset开始，复制chars字节到用户空间的目标迭代器to中。最后将缓冲区的偏移量buf->offset向后移动已读取的字节数，减少缓冲区中剩余的有效数据长度buf->len。将读指针tail向后移动一位，并更新管道的读指针pipe->tail。

读取操作的通俗作用：可以将管道的内容读取出来,并且每次读取都可以算作清理管道数据!

Linux内核的Page Cache机制是操作系统中用于提升磁盘I/O性能的核心组件，它通过将磁盘数据缓存在内存中，减少对慢速磁盘的直接访问。以下是对其工作原理和关键特性的详细解释：

读操作

写操作
1. 缓冲写入（Writeback）：
当一个文件已经被打开过,那么应用程序的写操作默认修改的是Page Cache中的缓存页，而非直接写入磁盘。
只在特定情况下,内核通过**延迟写入（Deferred Write）策略，将脏页（被修改的页）异步刷回磁盘（由pdflush或flusher线程触发）。

优点：合并多次小写入，减少磁盘I/O次数。
风险：系统崩溃可能导致数据丢失（需通过fsync()或sync()强制刷盘）。

2. 直写（Writethrough）： 某些场景（如要求强一致性）会同步写入磁盘，但性能较低（较少使用）。

相关资料:

传统的文件拷贝过程（open()→read()→write()）需要在用户态和内核态之间多次切换，并进行 CPU 和 DMA 之间的数据拷贝，开销较大。而利用 splice 系统调用可以实现内核态内的“零拷贝”，只进行少量的上下文切换，从而极大提高数据传输效率。

传统拷贝： 4次上下文切换、2次 CPU 拷贝、2次 DMA 拷贝
最简单的，就是open()两个文件，然后申请一个buffer，然后使用read()/write()来进行拷贝。但这样效率太低，原因是一对read()和write()涉及到4次上下文切换，2次CPU拷贝，2次DMA拷贝。

splice 零拷贝： 只需2次上下文切换
再dirty_pipe使用splice进行0拷贝的话就可以实现极高的效率,只需要两次上下文切换即可完成拷贝!

为了理解 splice 零拷贝的内部实现，我们可以通过动态调试定位到关键函数 copy_page_to_iter_pipe。在该函数设置断点，并使用 gdb 查看调用栈，可以看到整个 splice 的调用链条。调用栈大致分为以下几个层次：

可以很快发现整个splice的调用链！

在 SYSCALL_DEFINE6(splice, ...) 中，主要完成文件描述符转换、参数合法性检查，并调用 do_splice 进行实际的数据处理。

根据输入和输出的文件是否与 pipe 相关，选择不同的处理分支：

在 dirty_pipe 漏洞中，重点就在文件 → pipe 的场景，因为利用了 splice 复制过程中对管道内部管理机制的不足，才使得漏洞得以被利用。

该函数验证读取权限，检查长度，之后调用文件操作中实现的 splice_read。如果文件操作没有自定义该接口，则使用 default_file_splice_read。

这里的关键是in->f_op->splice_read,此处调用的 generic_file_splice_read来从文件中读取页面，并填充到管道中。

也可以通过动态调试来定位in->f_op->splice_read调用的是什么函数:

如何通过动态调试定位源码：

该函数内部构造了一个 pipe 的迭代器 iov_iter，然后通过调用 call_read_iter 实际执行数据读取操作。读取成功后会更新文件位置并调用 file_accessed 更新访问时间。

可以发现调用了call_read_iter函数最后也可以通过动态调试定位到函数generic_file_read_iter.

generic_file_read_iter 是所有能够直接利用页缓存的文件系统的通用读取例程。该函数处理直接 I/O 与缓冲读取的场景，确保在非阻塞或阻塞模式下都能正确返回数据或错误码。

在 generic_file_buffered_read 中，内核先通过 find_get_page 查找所需的页面，然后将页面中的数据拷贝到用户提供的缓冲区中。实际的拷贝操作是由 copy_page_to_iter 完成的。

copy_page_to_iter 根据 iov_iter 的类型选择合适的拷贝方式。当数据拷贝的目标是管道时，就调用 copy_page_to_iter_pipe。

在 copy_page_to_iter_pipe 函数中，关键核心buf->page = page;,这段代码就是内核完成了将文件的page_cache直接替换掉管道page,实现了0拷贝!

更加详细的了解0拷贝机制:详解CVE-2022-0847 DirtyPipe漏洞 - 华为云开发者联盟 - 博客园

Dirty Pipe 是一个存在于 Linux 内核 5.8 及之后版本 中的本地提权漏洞（CVE-2022-0847）。攻击者可通过覆盖任意可读文件的内容（即使文件权限为只读），将普通用户权限提升至 root 。其原理与经典的 Dirty COW（CVE-2016-5195）漏洞类似，但利用更简单、影响范围更广.

漏洞源于 管道（Pipe）机制与 Page Cache 的交互缺陷 ，具体涉及以下关键点：
1.管道的“零拷贝”特性
当通过 splice 系统调用将文件内容写入管道时，内核会直接将文件的 Page Cache 页面 （内存中的文件缓存页）作为管道的缓冲区页使用，而非复制数据。这一过程通过 copy_page_to_iter_pipe 函数实现

此时，管道缓冲区的 flags 被错误地设置为 PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE，允许后续数据合并到该页中。

2.未初始化的标志位漏洞
管道缓冲区的 flags 变量在初始化时未正确重置。当攻击者通过 splice 将文件内容写入管道后，若再次向同一管道写入数据，内核会错误地认为该页是可写的，从而允许覆盖原文件的 Page Cache 页面.

3.Page Cache 的覆盖效果
由于文件的 Page Cache 页面被直接关联到管道缓冲区，攻击者通过向管道写入数据，可覆盖 Page Cache 中的原始文件内容。当其他进程读取该文件时，会直接读取被篡改的缓存页，导致数据被永久修改（即使文件本身权限为只读）

攻击者可通过以下步骤实现提权：

根据漏洞原理及公开分析，Dirty Pipe 的利用存在以下核心限制：

当然这些限制如果结合其他内核利用完全可以绕过这些限制!!!
参考链接:veritas501/pipe-primitive: An exploit primitive in linux kernel inspired by DirtyPipe

测试POC：

构造一下漏洞复现场景，创建一个secret.txt文件只有root权限可以读写，其他用户只可以读

利用poc向这个只读文件进行内容覆盖！可以发现最后成功覆盖了！

POC中尝试将一个只能够的读的文件打开：

在linux内核源码中可以找到open函数的具体实现代码：

可以具体观察一下struct file,使用gdb在内核源码中下断点：

打下断点可以发现f就是以只读模式打开的文件

这就是该漏洞需要篡改的只读文件，当用户通过open()系统调用打开文件时，内核会创建struct file对象，并建立文件的页缓存（page_cache）映射。而这个文件的具体内容就会存放在这个文件结构体下管理的一个page中，同样的当用户通过pipe创建管道时，同样会创建一个page来存储输入管道的内容！
dirty_pipe漏洞最关键的地方就是将一个只读文件的page通过漏洞替换掉普通用户创建的管道的page，从而实现越权对只读文件进行写入！

POC中创建一个管道，返回的管道存放在p中有一个读管道和写管道：

在linux内核源码中可以找到open函数的具体实现代码：

其中关键函数get_pipe_inode()完成以下操作：

可以具体观察一下struct pipe_inode_info,使用gdb在内核源码中下断点：

在动态调试情况下查看管道结构体：

struct pipe_inode_info和struct pipe_buffer是管道功能的核心管理者，其字段直接控制数据流动、内存分配和进程同步。在dirty_pipe漏洞中，攻击者通过操纵该结构体的缓冲区和页指针，绕过了内核对只读文件的保护机制。理解这一结构体的设计与实现，不仅有助于掌握管道的工作原理，也为分析类似漏洞提供了关键切入点。

POC中调用write和read对管道pipe进行写入和读取操作：

虽然这里调用的是write和read，结合前文提到的，操作pipe管道看上去使用的是write和read，但是他们会自动调用pipe_write和pipe_read来操作管道中的内容！

使用gdb在关键函数打下断点：

动态调试可以定位到，当向pipe写入数据时候，pipe_write会将pipe_buffer结构体的flags字段进行初始化赋值为：

这个标记是dirty_pipe漏洞利用的核心！拥有这个标记后pipe_write向管道输入内容的时候，就会直接在原有的page上进行写入，也就是直接在只读文件中进行越权写入！

这里为pipe_read下个断点可以发现，该函数是通过pipe_inode_info结构体的tail字段来锁定要读取的buf内容的！

这里之所以需要调用这个pipe_read函数是为了清空pipe_write向管道写入的内容，确保splice函数可以在管道中寻找到剩余的空间进行零拷贝！

POC中调用splice将字读文件fd的一个字节拷贝进入管道p[1]中，从而成功构造出一个可以越权写的page

使用gdb在关键函数打下断点：

可以观察到generic_file_buffered_read获取到只读文件的struct file结构体！

继续动态调试可以发现:
系统可以通过这个函数来寻找到实际存储文件内容的page：

这个page就是在dirty_pipe漏洞触发时获取只读文件page的源码，可以通过动态调试手动定位一下：

Page Cache的管理依赖于内核中的address_space结构体，该结构体通过i_pages字段以稀疏数组（xarray）的形式存储文件的页缓存。每个文件的address_space对象（通常通过inode->i_mapping关联）维护了文件所有缓存页的索引，键为文件的页偏移量（pgoff_t），值为对应的物理页（struct page）。例如，当进程通过read()系统调用读取文件偏移量offset处的数据时，内核会计算对应的页偏移pgoff = offset >> PAGE_SHIFT，并在i_pages中查找对应的页。若找到则直接使用，否则触发缺页中断，分配新页并调用文件系统提供的readpage()方法填充数据。

参考资料：
Linux系统的脏页机制：Linux 深入理解脏页(dirty page)-CSDN博客
open系统调用讲解：Linux文件系统 struct file 结构体解析-CSDN博客

继续调试来到dirty_pipe漏洞的触发点，将只读文件的page直接赋值给buf->page字段，却未将buf->flags字段进行重新初始化为0，而是直接使用了旧的buf->flags值PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE，导致用户再次调用pipe_write的时候会继续再只读文件的page进行内容修改，从而实现了越权修改内容！

可以很快发现整个splice的调用链！

POC中调用write实际是pipe_write将要覆盖的字符串写入已经被dirty_pipe漏洞替换了page的管道之中，从而实现了越权写入！

使用gdb在关键函数打下断点：

可以发现buf确实是拥有PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE字段的值，的成功向一个只读文件进行了修改操作！
可以看看具体效果！

一开始./secret.txt的内容是：This is a secret file!

发现如果读写都15次的话,pipe->head和pipe->tail都是15,但是由于pipe->max_usage为16,pipe的buf数量没有被用完!所以调用splice这里进行操作的时候会重新创建一个pipe_buffer buf->page用来存放0拷贝过去的只读文件,buf->flags没有被赋予PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE标志,所以继续向管道写入的话无法在只读文件的page上面继续写!

提出疑问后直接修改POC进行测试:

发现关键点在：pipe_lock(opipe);这个函数会检测管道是否空闲，否则会一直等待！

找到源码：pipe.c

由于没有空闲的管道空间可以用所以会导致程序一直卡死！
卡死原因 ：管道已满且未设置非阻塞标志，wait_for_space会调用pipe_wait等待，导致进程阻塞。

如何判断pipe是否有可用空间？

通过pipe_inode_info的head，tail和max_usage字段来判断是否存在可用空间
所以我们需要解决的问题就是如何让程序认为管道有空闲的空间！通过动态调试确认,只需要调用至少一次pipe_read即可让程序判断管道有可用空间!

可以看看源码:

得出copy_page_to_iter_pipe的缓冲区索引计算方法:

所以如果只写满15次的话,那么调用splice的时候i->head是15的话那么获取到的buf就是&pipe->bufs[0],而且splice结束后i->head的值也就变成了16!

再调用pipe_write向管道写入数据的话:

pipe_write的写入逻辑:

那么接着前面的head是16,buf获取到的序号就是&pipe->bufs[15],和存放文件page的buf指向不同,所以无法覆盖!

但是如果我们将管道填满16次的话:

漏洞利用成功的时候发现,在copy_page_to_iter_pipe的时候发现这个head值变为了17!
通过计算可以发现copy_page_to_iter_pipe时候的buf和pipe_write的buf是同一个:pipe->buf[0],所以可以对文件进行覆写!

可以弄清楚pipe_read的读取方式是通过buf->offest和buf->len来读取buf->page的数据的,即使page里面有完整的内容,由于其余两个字段的限制,所以只能输出一个字节!

在poc中调用splice的时候至少复制一个字节，由于管道的写入机制每次只能向管道后面追加数据，所以被写入管道的第一个字节是无法覆盖的！

参考链接：DirtyPipe(脏管道)提权_脏管道提权-CSDN博客

该程序通过dirty_pipe漏洞劫持拥有root权限的二进制程序，覆盖掉原有程序注入一个恶意的elf文件：

然后调用这个被覆盖掉的二进制程序进行执行，就可以向/tmp/sh注入一个拥有root权限的可执行提权程序！
继续看另一个恶意程序elf_code：

最后执行这个程序就可以成功提权了！

可以修改rcS脚本来构造一个有root权限的程序，用来测试提权：

漏洞公告：

工具与代码：

技术分析：

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