如何使用Python访问Ring 0？

Question

这个回答表明Python中类的命名并非因为特殊权限而进行，在这里让我感到困惑。

1. 我如何在Python中访问较低级别的环？
2. 用于访问较低级别环的低级I/O是什么？
3. 如果是这样，我可以访问哪些环？
4. 语句“此函数旨在进行低级I/O。”是指较低级别的环还是其他内容？
5. C往往是操作系统编程中突出的语言。当Python中有OS类时，这是否意味着我可以通过该类访问C代码？
6. 假设我正在处理奇怪的机器语言代码，并且我想以某种方式理解它的含义。 Python中是否有一些工具可用于分析这些内容？如果没有，是否有某种方式可以使用Python控制某个控制奇怪机器语言的工具？[评论中建议使用ctypes]
7. 如果Python与低级别的特权无关，则它是否仍然提供一些包装器来控制特权？

- hhh

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@hhh：这个问题并没有太多意义。类不需要权限，用户需要。权限绑定在用户身上。 - S.Lott

@hhh：你只是在谈论API请求和权限。Python有一个大型的API请求库。哪些API请求可以使用，哪些会引发异常取决于您定义的用户权限。如果您想要的API不在Python库中，您有几个选择。通常我们会将它们编写为C语言作为Python扩展模块。还有一些像ctypes这样的模块，允许您调用其他操作系统API。但是您的用户权限决定了API是否有效或引发异常。您是在问如何使用ctypes吗？ - S.Lott

@hhh：我不知道你所说的“低级IO”是什么意思。但是所有操作都是通过API完成的。而且所有API都受到特权保护。 - S.Lott

@S.Lott：这是您在自己的答案中写的关于os.open的语句：“此函数旨在进行低级I/O。”，链接在此处：https://dev59.com/ZVbTa4cB1Zd3GeqP7AzF#5602549。 - hhh

为什么要对这个进行负投票？我认为开一个单独的问题来讨论这个窄化的话题是很有意义的。 - hhh

Answer 1

Windows和Linux都将内核代码使用ring 0、用户进程使用ring 3。这样做的好处在于，用户进程可以互相隔离，即使一个进程崩溃，系统也可以继续运行。相比之下，ring 0中的代码有bug可能会导致整台机器崩溃。

Ring 0代码如此关键的原因之一是它可以直接访问硬件。相比之下，当用户模式（ring 3）进程需要从磁盘读取数据时：

1. 进程执行特殊指令告诉CPU它想要进行系统调用。 2. CPU切换到ring 0并开始执行内核代码。 3. 内核检查该进程是否被允许执行该操作。 4. 如果允许，则执行该操作。 5. 内核告诉CPU已经完成。 6. CPU切换回ring 3并将控制权返回给进程。

属于“特权”用户（例如root/Administrator）的进程与任何其他用户模式代码一样运行在ring 3中；唯一的区别在于步骤3的检查总是成功的。这是一个好事情，因为：

- 拥有root权限的进程可以崩溃而不会导致整个系统崩溃。 - 许多用户模式的特性在内核中不可用，例如可交换内存、私有地址空间等。

至于在更低的ring中运行Python代码-内核模式是一个非常不同的环境，Python解释器根本没有设计用来在其中运行，例如分配内存的过程是完全不同的。

在您提到的另一个问题中，os.open()和open()最终都会进行open()系统调用，该调用检查进程是否被允许打开相应的文件并执行实际操作。

- SimonJ

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当Python有像OS和SYS这样的类时，它们实际上与重要的特权系统/操作系统事物没有任何关系吗？我开始感到命名约定非常具有误导性。是否有任何想法，Python是否提供一些包装器来控制特权区域的系统语言代码，例如C？ - hhh

os 模块提供了对操作系统提供的服务的一致访问（即无论您使用 Windows、Linux 等操作系统，都是相同的），而 sys 模块提供了特定于系统的功能。ctypes 模块允许您从 Python 调用 C 函数，但大多数 C 代码在用户模式（环 3）下运行，并在需要执行特权操作时向内核发出系统调用。 - SimonJ

@hhh：Python是C语言系统代码的包装器。要控制“特权”区域，您需要特权。这就是全部。只是特权 - 没有特殊的代码。 - S.Lott

@SimonJ：sys 不是用于系统特定功能的，sys 模块包含 Python 运行时的信息和服务。您可以使用 sys 执行各种操作，如获取命令行参数、检查 Python 版本、检查解释器限制、访问 stdin/stdout/stderr 对象、注册异常钩子、加载模块内省、注册调试/分析跟踪器以及修改运行时参数（如最大堆栈深度）。 - Lie Ryan

Answer 2

我认为SimonJ的回答非常好，但是根据你的评论，似乎你还没有完全理解。首先，在启动操作系统时，你所做的就是将内核加载到内存中并说“从地址X开始执行”。内核，也就是那段代码，本质上只是一个程序，但当然没有其他东西被加载，因此如果它想要做任何事情，它必须知道特定硬件的确切命令。

你不必运行内核。实际上，如果你知道如何控制所有连接的硬件，你根本不需要内核。但是，早在很久以前，人们就意识到可能会面临许多类型的硬件，并且具有跨系统相同的接口来编程将使代码可移植，并通常有助于更快地完成任务。

因此，内核的功能是控制连接到系统的所有硬件并将其呈现在称为API（应用程序编程接口）的公共接口中。在系统上运行的程序的代码不直接与硬件交互，而是与内核交互。因此，用户空间程序不需要知道如何请求特定硬盘读取扇区0x213E或其他内容，但内核需要知道。

现在，SimonJ的答案中提供的关于ring 3的描述是如何实现用户空间的——具有隔离的、非特权进程，具有虚拟私有地址空间，不能相互干扰，以获得他所描述的好处。

这里还有另一种复杂性水平，即权限的概念。大多数操作系统都有某种形式的访问控制，其中“管理员”对系统拥有完全控制，“用户”只有一组受限选项。因此，在这种方法下，内核请求打开属于管理员的文件应该失败。运行程序的用户构成了程序的上下文，如果你愿意的话，程序可以做什么受到该用户能够做什么的限制。

除非你的意图是编写内核，否则你几乎可以在root/administrator用户的userland中完成你想要实现的大部分事情，内核不会拒绝任何向它发出的API请求。它仍然是一个用户空间程序。它仍然是一个ring 3程序。但是对于大多数（几乎所有）用途而言，这已经足够了。作为非root/administrative用户也可以实现很多内容。

这适用于Python解释器，以及通过扩展运行在该解释器上的所有Python代码。

让我们来处理一些不确定性：

• os和sys的命名是因为它们是“系统”任务（与例如urllib2不同）。它们提供了操作和打开文件的方式。但是，这些任务通过Python解释器进行，进而调用内核。
• 我不知道有任何内核模式的Python实现。因此据我所知，没有办法编写能在内核（Linux/Windows）中运行的Python代码。
• 有两种类型的特权：硬件访问方面的特权和内核提供的访问控制系统方面的特权。Python可以作为root/管理员运行（事实上，在Linux上许多管理GUI工具都是用Python编写的），因此在某种意义上它可以访问特权代码。
• 编写C扩展或将C应用程序控制到Python中，表面上意味着您正在使用添加到解释器（用户空间）的代码，或者控制另一个用户空间应用程序。然而，如果您在C中编写了一个内核模块（Linux）或驱动程序（Windows），则可以从Python加载该驱动程序并通过内核API与其交互。例如，创建C中的/proc条目，然后使您的Python应用程序通过读/写将消息传递到该/proc条目（内核模块必须通过write/read处理程序来处理）。实质上，您编写要在内核空间中运行的代码，并以多种方式之一添加/扩展内核API，以便您的程序可以与该代码交互。
• “低级”IO意味着对发生的IO类型和如何从操作系统获取数据有更多的控制。它与Python中仍然提供易于读取文件的更高级函数（以控制为代价）相比较低级。这类似于C中的read()调用和fread()或fscanf()之间的区别。

健康警告：如果编写内核模块出错，最好的情况是该模块无法正确加载；最坏的情况是您的系统会崩溃/蓝屏并且您需要重新启动。

关于机器指令的最后一点我无法在此回答。这是一个完全不同的问题，具体情况视情况而定。我相信有许多能够分析这样的代码的工具，但我不是逆向工程师。但是，我知道许多这些工具（例如gdb、valgrind）——钩入二进制代码的工具不需要内核模块即可完成其工作。

- user257111

Answer 3

您可以使用inpout库http://logix4u.net/parallel-port/index.php。

import ctypes

#Example of strobing data out with nStrobe pin (note - inverted)
#Get 50kbaud without the read, 30kbaud with
read = []
for n in range(4):
    ctypes.windll.inpout32.Out32(0x37a, 1)
    ctypes.windll.inpout32.Out32(0x378, n)
    read.append(ctypes.windll.inpout32.Inp32(0x378))   #Dummy read to see what is going on
    ctypes.windll.inpout32.Out32(0x37a, 0)

print read

- delfer

Answer 4

[注意：我错了。在现代Unix系统上，用户模式代码不能再访问ring 0。-- jc 2019-01-17]

我已经忘记了我曾经了解的关于Windows权限的一切。在我熟悉的所有Unix系统中，root用户可以访问所有ring0权限。但是我想不出任何Python模块与特权环之间的映射。

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也就是说，“os”和“sys”模块不会给你任何特殊权限。你拥有它们或者没有，这取决于你的登录凭据。

- jcomeau_ictx

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等一下。我在某处读到，系统在启动期间传递了环 0，但之后访问环 0 是不可能的（但如果某些操作系统真的将环 0 命令实现到用户空间中，那么可能会有例外情况，这听起来真的很可怕）。 - hhh

作为root用户，您可以读取或写入计算机中实际存在的任何地址。我曾经通过为设备驱动程序编写main()例程并以root身份运行它们来测试设备驱动程序。这不是在ring 0吗？ - jcomeau_ictx

行为良好的程序通常使用内核提供的系统服务进行I/O操作，但至少在大多数Unix系统中，这是建议性的，而非强制性的。 - jcomeau_ictx

请注意，在NT世界中，“driver”的定义指的是Ring 0级别的事物，而在其他系统中，“driver”可能仅指较低的级别。必须找到一些适当的方法来测试我是否可以在obsd中进入Ring 0，这很有趣。 - hhh

据我所知，大部分内核代码都在Ring 0上运行，因此在引导后在Ring 0上运行并不是不可能的，实际上每当进行系统调用时都会切换到Ring 0。不可能的是在Ring 0上运行任意用户空间可执行文件。向Ring 0添加新代码的唯一方法是使用加载内核模块机制（init_module()/finit_module()），这需要root权限。 - Lie Ryan

是的，当我写下那段话时，我的“知识”可能已经过时了，现在肯定已经过时了。 - jcomeau_ictx

Answer 5

如何在Python中访问较低的环？

ctypes

低级io用于访问较低级别的环吗？

不是。

语句“此函数旨在进行低级I/O。”是指较低级别的环还是其他内容？

其他事情。

C往往是操作系统编程中突出的语言。当Python中有OS类时，这是否意味着我可以通过该类访问C代码？

所有CPython都是用C实现的。

os模块（它不是一个类，而是一个模块）用于访问操作系统API。 C与访问操作系统API无关。 Python直接访问API。

假设我正在玩弄奇怪的机器语言代码，并且我想以某种方式理解它的含义。 Python中是否有一些工具可用于分析这些内容？

“玩耍”？

“理解它的意思”？这是你的问题。你读代码，你就能理解。Python是否有帮助无法确定。你不明白什么？

如果没有，那么我还能用Python控制一些工具来控制奇怪的机器语言吗？[评论中建议使用ctypes]

ctypes

如果Python与低级特权无关，它是否仍然提供一些包装器来控制特权？

你不能“包装”东西来控制特权。

大多数操作系统都是这样工作的。

1.您授予用户帐户特权。 2.操作系统API检查授予请求操作系统API的用户的特权。 如果用户拥有特权，则操作系统API有效。 如果用户缺少特权，则操作系统API会引发异常。

就是这样。

- S.Lott