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2022312675 구래건

1. 서론

커널은 하드웨어 리소스와 시스템 상태에 직접 접근할 수 있는 권한을 가지고 있다. 이와는 대조적으로 사용자 공간에서는 이러한 접근이 제한되어 있다. 커널 레벨의 소켓 서버를 통해, 커널이 접근 가능한 특정 데이터에 접근할 수 있다는 점은 해킹과 보안 관점에서 중요한 역할을 할 수 있다. 해커들은 일반적으로 서버에 침입한 후에 자신들의 흔적을 남기지 않기 위해 보안 및 시스템 관련 로그를 제거한다. 이렇게 되면 사용자 및 관리자는 서버에 어떤 행위가 발생했는지 파악하기가 매우 어려워지며, 추가적인 침입의 위험성도 증가한다. 이런 상황에서 커널 레벨의 TCP 서버를 사용하면, 외부 시스템에 시스템 로그를 저장 및 보관할 수 있고, 이를 통해 해킹으로 인한 피해를 최소화할 수 있다. 커널 레벨의 TCP 서버를 사용하면, 시스템 관리 측면에서도 중요한 이점을 얻을 수 있다. 시스템이 비정상적으로 종료되거나 다른 이상 상태가 발생해 서버에 직접적으로 접근할 수 없는 경우에도 원격으로 로그를 저장해두었기 때 문에, 오류를 쉽게 파악할 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로 시스템 로그를 커널 레벨에서 수집하고 보관하는 행위는 서버의 보안을 강화 하고 시스템 상태를 모니터링하는 데 도움이 된다. 또한, 커널 레벨에서 작동하는 TCP 서버는 일반 사용자 공간의 악성 코드나 해킹 시도로부터 격리되어 있으므로, 시스템의 안정성과 보 안성을 높일 수 있다. 하지만 이러한 접근 방식은 오히려 결점이 될 수 있다. 커널 레벨에서의 데이터 접근과 TCP 서버 자체가 해킹이 된다면 서버의 중요한 로그가 해커에게 전달될 수 있기 때문이다. 따라서 적절한 보안 대책과 접근 제어 메커니즘을 통해 이를 예방하는 것 또한 매우 중요하다. 따라서 본 보고서에서는 특정 ip만 허용하는 메커니즘 및 클라이언트의 파일 요청을 받아 파일을 송신하는 코드, 채팅을 가능하게 하는 코드를 구현해 보겠다.

2. 본론 – 구현
3. 교안 대로, WSL2-Linux-Kernel을 설치한 뒤 make를 진행해 커널을 올려준다.
4. 본디 WSL2-Linux-Kernel/kernel에서 코드를 짜고 진행해야 하지만, 이럴 경우 매 컴 파일 마다 많은 시간이 소요될 수 있기에, 우선 kernel module을 만들어 코딩을 진행 하고, 기능을 테스트해 보았다. 그리고 커널 모듈 컴파일 진행에 대해 해당 과정을 영 상으로 만들었다. https://www.youtube.com/watch?v=xXmHCfNvJGk&t=2s
5. 대부분의 기능이 안정적으로 진행되자, 본격적으로 시스템 콜로써 구현하기 위해 커널 파일을 수정하였다.
6. 우선, WSL2-Linux-Kernel/kernel에 코드를 작성하였다. 커널 모듈과 다른 문법 이 있기에 일부 코드를 수정하고, chatserver.c 라는 이름으로 코드를 작성하였다.
7. WSL2-Linux-Kernel/kernel에 존재하는 Makefile의 obj-y에 chatserver.o 를 추가해 이를 컴파일 대상으로 인식할 수 있게 하였다.

3. 다음으로, WSL2-Linux-Kernel/arch/x86/entry/syscalls 에 있는 syscall_64.tbl을 수정하여 시스템 콜 고유 번호를 추가해 주었다. 이작업으로 인해 유저레벨에서 시스템콜을 해당 번호(451)를 통해 호출 할 수 있게 된다.

4. WSL2-Linux-Kernel/include/linux/syscalls.h에 asmlinkage를 통해 함수를 선언 한다. 메시지, 허용할 ip를 입력으로 받았다.

5. 위의 사항을 잘 마무리 했으면, 커널 컴파일을 재 진행하여 새로 생성된 vmlinux 파일로 기존의 vmlinux를 대채 한 뒤, 다시 시작한다.
6. 소스 코드 설명.

MAX_FILENAME_LEN: 전송할 파일의 최대 경로 및 이름 길이를 나타낸다. MAX_MESSAGE_LEN: 전송할 메시지의 최대 길이를 나타낸다. MAX_IP_LEN: IP길이의 최대값을 지정한다.

port: 서버가 사용할 포트 번호를 나타내는 변수이다.

server_socket: 서버 소켓을 가리키는 포인터 변수로, NULL로 초기 설정하였다. client_socket: 클라이언트 소켓을 가리키는 포인터 변수로, NULL로 초기 설정하였다.

함수 create_server_socket는 주어진 포트 번호에 서버 소켓을 생성하고, 해당 소켓을 지정된 포트에 바인딩하며, 연결 요청을 받을 수 있도록 리스닝 상태로 설정하는 역할을 한다.

매개변수는 다음과 같다.

1. int형 반환값을 가지며, 생성된 서버 소켓에 대한 오류 여부를 반환한다.
2. int형 매개변수 port는 서버 소켓이 바인딩될 포트 번호를 나타낸다.
3. struct sockaddr_in형 변수 addr는 소켓 주소 구조체로 사용된다.
4. int형 변수 err은 함수 수행 중 발생한 오류를 저장한다.

함수는 다음과 같이 동작한다.

1. sock_create_kern 함수를 사용하여 커널 내부에서 서버 소켓을 생성하고, 생성된

소켓은 server_socket 변수에 저장된다.

2. memset 함수를 사용하여 addr 변수를 초기화한다.
3. addr의 필드 값을 설정하여 소켓 주소 구조체를 초기화합니다. AF_INET은 IPv4 주소 체계를 사용함을 나타내며, htons 함수를 사용하여 포트 번호를 네트워크 바 이트 순서로 변환한다.
4. kernel_bind 함수를 사용하여 서버 소켓을 addr에 바인딩한다. sizeof(struct sockaddr_in)은 소켓 주소 구조체의 크기를 나타낸다.
5. kernel_listen 함수를 사용하여 서버 소켓을 리스닝 상태로 설정한다. 1은 동시에 처리할 수 있는 최대 연결 요청의 개수를 의미한다.
6. 서버 소켓이 성공적으로 생성, 바인딩 및 리스닝 되었음을 로그로 출력한다.

tcp_socket_exit 함수는 서버 소켓과 클라이언트 소켓을 해제하여 TCP 소켓을 종료 한다.

함수는 다음과 같이 동작한다.

1. server_socket이 유효한 경우에는 sock_release 함수를 호출하여 서버 소켓을 해 제한다.
2. server_socket을 NULL로 설정한다. 마찬가지로 client_socket이 유효한 경우에도 동일한 과정을 수행한다.

receive_message 함수는 주어진 소켓으로부터 메시지를 수신하고, 수신된 메시지를 지정된 버퍼에 저장하며, 수신된 메시지를 로그에 출력한다.

매개변수는 다음과 같다.

struct socket *socket: 메시지를 수신할 소켓 객체 char *buffer: 수신된 메시지를 저장할 버퍼

size_t buffer_size: 버퍼의 크기

반환:

성공적으로 메시지를 수신한 경우, 수신된 바이트 수를 반환한다. 메시지 수신에 실패한 경우, -1을 반환한다.

함수는 다음과 같이 동작한다.

1. 수신할 메시지를 저장할 struct msghdr 객체인 msg를 초기화한다.
2. 수신된 메시지를 저장할 struct kvec 객체인 iov를 초기화한다.
3. 수신된 메시지를 버퍼에 저장할 struct iov_iter 객체인 iter를 초기화한다.
4. iov 객체에 버퍼와 버퍼의 크기를 설정한다.
5. msg 객체의 필드를 설정한다. 메시지를 하나씩 msg_flags를 0으로 설정한다.
6. iov_iter_kvec 함수를 사용하여 iter 객체를 초기화한다.
7. kernel_recvmsg 함수를 사용하여 소켓으로부터 메시지를 수신하고, 수신된 바이 트 수를 bytes_received에 저장한다.

8-1. 수신이 실패한 경우, 에러를 로그에 출력하고 -1을 반환한다. 8-2. 수신된 메시지를 로그에 출력한다.

9. 수신된 바이트 수를 반환한다.

send_message 함수는 주어진 소켓으로 메시지를 전송하는 역할을 수행한다.

매개변수는 다음과 같다.

struct socket *socket: 메시지를 전송할 소켓 객체

const char *message: 전송할 메시지 문자열

함수는 다음과 같이 동작한다.

1. 함수 내부에서는 주어진 메시지를 socket으로 전송하기 위해 필요한 데이터 구조를 설정하고, 실제 전송 작업을 수행한다.
2. 메시지를 전송하기 위해 kvec 구조체를 사용하여 전송할 데이터를 설정하고, msghdr 구조체를 초기화하여 메시지 속성을 설정한다.
3. 3.kernel_sendmsg 함수를 호출하여 소켓을 통해 메시지를 전송한다.
4. 전송이 성공하면 전송된 바이트 수를 반환하고, 실패하면 오류 코드를 반환한다.

send_file 함수는 주어진 파일을 소켓을 통해 클라이언트로 전송하는 역할을 한다. 매개변수는 다음과 같다.

struct socket *socket: 파일 데이터를 전송할 소켓 객체

const char *filename: 전송할 파일의 경로 및 이름

함수는 다음과 같이 동작한다.

1. 함수 내부에서는 주어진 파일을 열고, 읽은 데이터를 소켓으로 전송한다.
2. 파일을 열기 위해 filp_open 함수를 사용하고, 데이터를 임시로 저장할 버퍼를 할 당하기 위해 kmalloc 함수를 사용한다.
3. 파일을 읽는 동안 kernel_read 함수를 호출하여 데이터를 읽는다.
4. send_message 함수를 사용하여 소켓으로 데이를 전송한다.
5. 전송이 성공하면 전송된 바이트 수를 반환하고, 실패하면 오류 코드를 반환한다.
6. 함수가 종료되면 할당된 버퍼를 해제하고 파일을 닫는다.

SYSCALL_DEFINE2(server, const char __user *, message, const char __user *, client_ip_arg)
{
    int err;
    char buffer[100];
    bool is_file_request = false;
    char filename[MAX_FILENAME_LEN] = "my_file.txt";
    int bytes_sent;
    struct sockaddr_in addr;
    int addrlen;
    char client_ip[MAX_IP_LEN];
    char kernel_client_ip[MAX_IP_LEN];

    addrlen = sizeof(addr);
    err = create_server_socket(port);
    if (err < 0) {
        pr_err("Failed to create server socket: %d\n", err);
        return err;
    }

    // Copy client_ip_arg to kernel buffer
    
    if (copy_from_user(kernel_client_ip, client_ip_arg, MAX_IP_LEN) != 0) {
        pr_err("Failed to copy client IP address\n");
        tcp_socket_exit();
        return -EFAULT;
    }

    while (1) {
        // 클라이언트의 연결 수락
        err = kernel_accept(server_socket, &client_socket, 0);
        if (err < 0) {
            pr_err("Failed to accept client connection: %d\n", err);
            break;
        }
        pr_info("Accepted client connection\n");

        // 클라이언트의 IP 주소 확인
        if (kernel_getpeername(client_socket, (struct sockaddr *)&addr) < 0) {
            pr_err("Failed to get client IP address\n");
            sock_release(client_socket);
            continue; // 다음 클라이언트의 연결 시도를 기다립니다.
        }

        // 클라이언트의 IP 주소를 문자열로 변환
        snprintf(client_ip, MAX_IP_LEN, "%pI4", &addr.sin_addr.s_addr);

        // 클라이언트의 IP 주소가 client_ip_arg와 일치하는지 확인
        if (strcmp(client_ip, kernel_client_ip) != 0) {
            pr_err("Access denied for client IP: %s\n", client_ip);
            sock_release(client_socket);
            continue; // 다음 클라이언트의 연결 시도를 기다립니다.
        }

        while (1) {
            int bytes_received = receive_message(client_socket, buffer, sizeof(buffer));
            char kernel_message[MAX_MESSAGE_LEN];
            if (bytes_received < 0) {
                pr_err("Failed to receive message(server_init): %d\n", bytes_received);
                break;
            }

            if (copy_from_user(kernel_message, message, MAX_MESSAGE_LEN - 1) != 0) {
                pr_err("Failed to copy user message\n");
                break;
            }
            kernel_message[MAX_MESSAGE_LEN - 1] = '\0';  // 문자열 종료를 위해 널 문자 추가

            pr_info("Received message: %s\n", kernel_message);
            bytes_sent = send_message(client_socket, kernel_message, strlen(kernel_message));

            if (strncmp(buffer, "FILE:", 5) == 0) {
                memset(filename, 0, MAX_FILENAME_LEN);
                strncpy(filename, buffer + 5, MAX_FILENAME_LEN - 1);

                bytes_sent = send_file(client_socket, filename);

                if (bytes_sent < 0) {
                    pr_err("Failed to send file: %.*s\n", MAX_FILENAME_LEN, filename);
                    break;
                }

                pr_info("File sent: %s, Bytes sent: %d\n", filename, bytes_sent);
                is_file_request = true;
            } else {
                // 일반 메시지 전송
                if (is_file_request) {
                    // 파일 전송 후 첫 메시지인 경우에만 "Hello, client!" 메시지를 전송
                    char greeting_message[30] = "Hello, client!";
                    bytes_sent = send_message(client_socket, greeting_message, strlen(greeting_message));

                    if (bytes_sent < 0) {
                        pr_err("Failed to send greeting message: %d\n", bytes_sent);
                        break;
                    }
                    is_file_request = false;
                } else {

                    if (bytes_sent < 0) {
                        pr_err("Failed to send message: %d\n", bytes_sent);
                        break;
                    }
                }
            }
        }

        // 클라이언트 소켓 해제
        if (client_socket) {
            sock_release(client_socket);
            client_socket = NULL;
        }
    }

    tcp_socket_exit();

    return 0;
}

SYSCALL_DEFINE2(server, const char __user *, message, const char __user *, client_ip_arg) 함수는 서버 역할을 수행하는 시스템 호출 함수이다. 클라이언트의 연 결을 수락하고, 메시지를 주고받으며, 파일을 전송하는 서버 역할을 수행한다.

매개변수는 다음과 같다.

const char __user *message: 사용자로부터 전달받은 메시지를 가리키는 포인터. const char __user *client_ip_arg: 클라이언트의 IP 주소를 가리키는 포인터. 함수는 다음과 같이 동작한다.

1. 함수 내부에서 create_server_socket 함수를 호출하여 서버 소켓을 생성한다. 생 성에 실패하면 오류 코드를 반환하고 함수를 종료한다.
2. 그 후, 무한 루프를 실행하여 클라이언트의 연결을 수락하고, 메시지를 주고받으 며, 파일을 전송한다.
3. 각 루프 반복에서는 kernel_accept 함수를 사용하여 클라이언트의 연결을 수락한 다. 연결 수락에 실패하면 오류 코드를 반환하고 루프를 종료한다.
4. 수락한 클라이언트의 ip주소가 커널에서 허용하기로 한 ip와 일치한다면 접속을 유지하고, 아니라면 연결을 종료한다.
5. 수락된 클라이언트와 메시지를 수신하고, 사용자 공간에서 작성된 메시지를 커널 로 메시지를 복사한뒤, send_message 함수를 사용하여 클라이언트에게 전송한다.
6. 수신된 메시지가 "FILE:"로 시작하는 경우, 해당 메시지는 파일 요청을 의미하며, 파일명을 추출하여 send_file 함수를 호출하여 파일을 전송한다. 파일 전송에 실 패하면 오류 메시지를 출력하고 루프를 종료한다.
7. 파일 전송이 이루어진 후 메시지로 클라이언트에게 "Hello, client!" 메시지를 전 송한다.
8. 각 루프 반복 후에는 클라이언트 소켓을 해제한다.
9. tcp_socket_exit 함수를 호출하여 서버 소켓을 종료한다.

5. Userlevel syscall 호출 코드 및 client 코드 설명

위 코드는 sys_server() 시스템 콜을 호출한다. 사용자로부터 메시지 및 ip주소를 입 력받고, 해당 아이피와 메시지를 인자로 sys_server() 시스템 콜을 호출한다.

코드는 다음과 같이 동작한다

1. 사용자로부터 메시지를 입력 받는다.
2. 사용자로부터 접속을 허용할 아이피를 입력 받는다.
3. syscall() 함수를 사용하여 sys_server() 시스템 콜을 호출한다. 451은 시 스템 콜 번호로, 전달할 message, 접속을 허용할 아이피를 인자로 전달 한다.

클라이언트 코드

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 4320
#define BUFFER_SIZE 1024

void receive_file(int sockfd, const char *filename) {
    FILE *file = fopen(filename, "wb");
    if (!file) {
        perror("Failed to open file for writing");
        return;
    }

    char buffer[BUFFER_SIZE];
    int bytes_received;

    // 파일 데이터 수신
    while ((bytes_received = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) > 0) {
        fwrite(buffer, 1, bytes_received, file);
    }

    fclose(file);

    if (bytes_received < 0) {
        perror("Failed to receive file");
        return;
    }

    printf("File received: %s\n", filename);
}
int receive_message(int sockfd, char *buffer, size_t buffer_size) {
    int bytes_received = recv(sockfd, buffer, buffer_size, 0);
    if (bytes_received < 0) {
        perror("Failed to receive message");
        return -1;
    } else if (bytes_received == 0) {
        printf("Connection closed by server\n");
        return -1;
    } else {
        printf("Received message: %.*s\n", bytes_received, buffer);
        return bytes_received;
    }
}

int send_message(int sockfd, const char *message) {
    int bytes_sent = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
    if (bytes_sent < 0) {
        perror("Failed to send message");
        return -1;
    }
    return bytes_sent;
}

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    char filename[BUFFER_SIZE];

    // 소켓 생성
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("Failed to create socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 서버 주소 설정
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("Invalid server IP address");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 서버에 연결
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("Failed to connect to server");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 메시지 전송 및 파일 수신
    while (1) {
        // 메시지 입력
        printf("Enter your message (or file name to receive, 'exit' to quit):\n");
        fgets(buffer, BUFFER_SIZE, stdin);
        buffer[strcspn(buffer, "\n")] = '\0';  // 개행 문자 제거

        // "exit" 입력 시 종료
        if (strcmp(buffer, "exit") == 0) {
            break;
        }

        // 파일 수신 요청인 경우
        if (strncmp(buffer, "FILE:", 5) == 0) {
            memset(filename, 0, sizeof(filename));
            strncpy(filename, buffer + 5, sizeof(filename) - 1);

            if (send_message(sockfd, buffer) < 0) {
                break;
            }

            receive_file(sockfd, filename);
        } else {  // 일반 메시지 전송
            if (send_message(sockfd, buffer) < 0) {
                break;
            }

            // 메시지 수신
            receive_message(sockfd, buffer, sizeof(buffer));
        }
    }

    // 소켓 닫기
    close(sockfd);

    return 0;
}

일반적인 소켓 클라이언트 처럼 작성되었다.

1. 서버의 IP 주소, 포트 번호, 버퍼 크기 등을 정의한다.
2. receive_file 함수는 소켓으로부터 파일을 수신하여 지정된 파일에 저장하 는 역할을 수행한다.
3. receive_message 함수는 소켓으로부터 메시지를 수신하는 역할을 수행 한다.
4. send_message 함수는 소켓을 통해 메시지를 전송하는 역할을 수행한다.
5. main 함수에서는 클라이언트 소켓을 생성하고, 서버의 주소를 설정하여 서버에 연결한다.
6. 메시지를 입력받고, "exit"를 입력할 때까지 반복하여 처리한다.
7. 만약 입력된 메시지가 "FILE:"로 시작하는 경우, 파일 수신을 요청하고 receive_file 함수를 호출하여 파일을 수신한다.
8. 그렇지 않은 경우에는 일반 메시지를 전송하고, receive_message 함수를 호출하여 서버로부터 메시지를 수신한다.
9. 사용이 끝난 소켓을 닫는다.

6. 실행 결과

1. Ip 불일치로 접속 불가 상황

2. 접속 후 메시지 교환

3. 접속 후 파일 교환

7. 결론

결론적으로, 커널 레벨의 TCP 서버는 시스템 로그를 커널에서 수집하고 보관하여 서버의 보 안을 강화하고 시스템 상태를 모니터링하는 데 도움을 줄 수 있다. 이 방식은 커널이 접근 가 능한 데이에 접근하므로 해킹으로 인한 피해를 최소화할 수 있으며, 서버의 안정성과 보안 성을 높일 수 있다.

그러나 이러한 접근 방식은 오히려 보안 결점이 될 수도 있다. 만약 커널 레벨에서의 데이터 접근과 TCP 서버 자체가 해킹당한다면, 중요한 로그가 해커에게 전달될 수 있기 때문이다. 따 라서 적절한 보안 대책과 접근 제어 메커니즘을 구현하여 이러한 위험을 예방해야 한다.

본 보고서에서는 특정 IP만 허용하는 메커니즘과 클라이언트의 파일 요청을 받아 파일을 송신 하는 기능, 채팅을 가능하게 하는 코드를 구현했다. 이를 통해 보안 및 파일 전송, 채팅 기능 을 제공하는 TCP 서버를 구현할 수 있다.

프로그램 실행 결과를 확인하고, 예상대로 파일 전송과 채팅이 작동하는지 확인했다. 이를 통 해 프로그램이 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다.

커널 레벨의 TCP 서버는 보안과 시스템 모니터링 측면에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 적 절한 보안 대책과 접근 제어를 구현하여 해킹으로부터의 위험을 최소화해, 서버의 안정성과 보안성을 강화할 수 있다.