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書名：網絡空間攻防技術原理
作者名：韓蘭勝何婧瑗朱東君鄧賢君主編
本章字數： 2648字
更新時間： 2025-01-09 16:36:51

2.2.3 二進制環境搭建

1.GCC及交叉編譯環境

除了 Web 學習環境外，還需要搭建二進制相關賽題的學習環境，首先介紹二進制程序編譯環境的搭建。在Ubuntu系統下，通常選擇GCC（GNU Compiler Collection,GNU編譯套件）作為編譯器。GCC最初是一款GNU操作系統下的C語言程序編譯器，由于它開放了源代碼，因此開發人員可以自由地參與到對它的維護與更新中，這使得它快速發展。目前GCC 已經能夠支持 C、C++、Objective-C、Fortran、Ada、Go 等高級程序設計語言，以及x86、ARM、MIPS等多種體系結構，并且可以在絕大多數類Unix操作系統（如BSD、macOS等）和一些其他操作系統（如Windows）上使用。

Ubuntu 20.04 LTS默認安裝了GCC，可以通過執行命令“gcc -v”查看其版本及配置信息。但是，64位操作系統中的GCC默認只能編譯64位的程序，需要通過執行下面的命令為其安裝32位程序的適配庫，使其能夠編譯32位的程序。

sudo apt install gcc-multilib g++-multilib module-assistant

安裝完畢后，當需要編譯32位的程序時，可以使用下面的命令。

gcc sourcecode.c -o binaryfile -m32

可以將上面的編譯過程稱為本地編譯，也就是編譯在當前體系結構的計算機上執行的程序。由于在CTF競賽中可能涉及其他體系結構的可執行程序，因此還需要為GCC安裝相應的交叉編譯工具鏈，使其能夠編譯不同體系結構的程序。以64位的 ARM 體系結構為例，首先通過執行下面的命令查看可供安裝的交叉編譯工具鏈。

# sudo apt search aarch64 | grep gcc
gcc-10-aarch64-linux-gnu/focal-updates,focal-security 10.3.0-1ubuntu1～20.04cross1
amd64
gcc-10-aarch64-linux-gnu-base/focal-updates,focal-security
10.3.0-1ubuntu1～20.04cross1 amd64
gcc-10-plugin-dev-aarch64-linux-gnu/focal-updates,focal-security
10.3.0-1ubuntu1～20.04cross1 amd64
gcc-8-aarch64-linux-gnu/focal 8.4.0-3ubuntu1cross1 amd64
gcc-8-aarch64-linux-gnu-base/focal 8.4.0-3ubuntu1cross1 amd64
gcc-8-plugin-dev-aarch64-linux-gnu/focal 8.4.0-3ubuntu1cross1 amd64
gcc-9-aarch64-linux-gnu/focal-updates,focal-security  9.3.0-17ubuntu1～20.04cross2
amd64
gcc-9-aarch64-linux-gnu-base/focal-updates,focal-security
9.3.0-17ubuntu1～20.04cross2 amd64
gcc-9-plugin-dev-aarch64-linux-gnu/focal-updates,focal-security
9.3.0-17ubuntu1～20.04cross2 amd64
gcc-aarch64-linux-gnu/focal 4:9.3.0-1ubuntu2 amd64
gccgo-10-aarch64-linux-gnu/focal-updates,focal-security
10.3.0-1ubuntu1～20.04cross1 amd64
gccgo-8-aarch64-linux-gnu/focal 8.4.0-3ubuntu1cross1 amd64
gccgo-9-aarch64-linux-gnu/focal-updates,focal-security
9.3.0-17ubuntu1～20.04cross2 amd64
gccgo-aarch64-linux-gnu/focal 4:10.0-1ubuntu2 amd64

根據需要選擇一個版本，假設是“gcc-aarch64-linux-gnu”，通過 apt 對其進行安裝，并查看版本及配置信息。

交叉編譯工具鏈安裝完畢，可以用它來編譯 arm64體系結構的程序。以下面的 C 語言代碼為例。

/＊ sample_arm64.c ＊/
#include <stdio.h>
int main() {
    printf(＂This is an arm64 program.\n＂);
    return 1;
}

交叉編譯的方法與本地編譯方法基本類似。分別進行靜態編譯和動態編譯，并通過Linux的file工具查看得到的可執行程序文件，具體如下。

// 靜態編譯
# aarch64-linux-gnu-gcc -static sample_arm64.c -o sample_arm64_s
# file sample_arm64_s
sample_arm64_s: ELF 64-bit LSB executable, ARM aarch64, version 1 (GNU/Linux),
statically  linked,  BuildID[sha1]=5906a0e7fd294cfbda30eb59e27cb7267ac8de89,  for
GNU/Linux 3.7.0, not stripped
// 動態編譯
# aarch64-linux-gnu-gcc sample_arm64.c -o sample_arm64_d
# file sample_arm64_d
sample_arm64_d: ELF 64-bit LSB shared object, ARM aarch64, version 1 (SYSV), dynamically
linked, interpreter /lib/ld-linux-aarch64.so.1, BuildID[sha1]=51e64a8461334e650ca0f
1930340e7c4643b7a72, for GNU/Linux 3.7.0, not stripped

編譯成功，分別得到了64位的基于ARM體系結構的靜態鏈接可執行程序sample_arm64_s和動態鏈接可執行程序sample_arm64_d，嘗試運行這兩個程序，具體如下。

# ./sample_arm64_s
-bash: ./sample_arm64_s: cannot execute binary file: Exec format error
# ./sample_arm64_d
-bash: ./sample_arm64_d: cannot execute binary file: Exec format error

兩個程序均運行失敗。容易想到，個人計算機并采用 ARM 體系結構，無法運行基于ARM 體系結構的程序。那么，既然能夠在當前體系結構下編譯其他體系結構的程序，能不能想個辦法，讓這些程序也能在當前體系結構下運行呢？答案是肯定的，這就是下面要講的QEMU環境。

2.QEMU環境

QEMU 是開源跨平臺二進制程序動態執行模擬器，它可以模擬 x86、ARM、MIPS、PowerPC 等多種體系結構的動態執行。QEMU 的原理是將可執行文件的二進制代碼翻譯為TCG 微操作形式的中間代碼，再根據中間代碼編譯得到目標體系結構的二進制代碼，最后執行這些新的二進制代碼。對于基于ARM、MIPS等非當前體系結構的可執行程序，QEMU能夠幫助讀者方便地搭建模擬執行環境。

QEMU主要有兩種模擬方式，即用戶模式和系統模式。用戶模式下的QEMU相當于一個進程級別的虛擬機，能夠執行不同體系結構的二進制程序，在Ubuntu 20.04系統中可以通過執行命令“sudo apt install qemu-user”來安裝；系統模式下的QEMU則能夠模擬完整的操作系統，包括處理器及配套的外設等，在Ubuntu 20.04系統中，可以通過執行命令“sudo apt install qemu-system”來安裝。在路徑“/usr/bin”下可以通過執行“ls | grep qemu”命令查看QEMU能夠支持且當前已經安裝的體系結構。

QEMU 安裝完畢后，一些靜態鏈接的非當前體系結構的程序就可以成功運行了，例如我們之前編譯的靜態鏈接可執行程序sample_arm64_s，具體如下。

# qemu-aarch64 ./sample_arm64_s
This is an arm64 program.
# ./sample_arm64_s
This is an arm64 program.

無論是執行命令“qemu-arm ./sample_arm64_s”還是直接運行sample_arm64_s都沒有問題，非常方便。然而，對于動態鏈接的可執行程序，上述方法仍無法成功，例如前面編譯的動態鏈接可執行程序sample_arm64_d，具體如下。

# qemu-aarch64 ./sample_arm64_d
/lib/ld-linux-aarch64.so.1: No such file or directory

提示找不到文件“/lib/ld-linux-aarch64.so.1”，該文件是arm64體系結構所需要的動態鏈接庫文件。事實上，當我們安裝交叉編譯工具鏈時，arm64體系結構所需要的庫文件及頭文件已經安裝到/usr目錄下，只需通過設置-L參數把路徑告訴QEMU即可成功運行動態鏈接的可執行程序。

# qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu/ ./sample_arm64_d
This is an arm64 program.

小貼士：在沒有安裝交叉編譯工具鏈的情況下，也可以單獨為QEMU安裝所需要的庫文件及頭文件。首先通過執行形如“sudo apt search libc6 | grep arm”的命令查看可供安裝的庫，然后通過執行如“sudo apt install libc6-arm64-cross”的命令安裝所需要的庫，之后可以在/usr目錄下找到相應的文件夾。如果留心觀察交叉編譯工具鏈的安裝情況，就會發現類似libc6-arm64-cross這樣的庫其實是作為交叉編譯工具鏈的依賴項同時安裝的。

在 QEMU 的用戶模式下，不同體系結構的程序都可以按照類似上面的方法來運行，這正是QEMU為我們帶來的方便之處。限于篇幅，關于QEMU的更多使用方法，尤其是它在系統模式下的使用，這里就不再展開介紹了，讀者可以自行查閱 QEMU 使用文檔。現在，已經得到了一個完整的、可跨平臺的二進制學習環境，該環境能夠支持編寫、編譯及運行不同體系結構的可執行程序。

3.Docker環境

通過前面的學習可以發現，搭建二進制程序的編譯及運行環境是比較復雜的，即使在GCC和QEMU的幫助下，這仍然不是一件很容易的事情。在一些CTF競賽中，為了避免將寶貴的時間耗費在復雜的環境搭建上，可能采用Docker來發布CTF競賽題目或提供運行環境，下面簡單介紹Docker的安裝及使用。

Docker 是一個開源的容器化平臺，它允許構建、測試并作為可移動的容器去部署應用程序。一個 Docker 就是一個應用程序的運行環境，包含程序運行所需要的所有依賴條件，并且可以在任何系統上運行。顯然，使用 Docker 將極大地方便我們快速部署各種程序運行環境。

一般推薦從倉庫安裝到更新 Docker，與包管理工具的更新源類似，使用國內的 Docker倉庫能夠更好地保證安裝的速度和穩定性。以某大學的 Docker 倉庫為例，可以通過執行下面的命令來安裝Docker。

// 安裝依賴項
sudo apt install ca-certificates curl gnupg lsb-release
// 信任 Docker 的 GPG 公鑰
curl -fsSL https://download.×××.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add
// 添加 Docker 倉庫
sudo add-apt-repository ＂deb [arch=amd64] \
  https://mirrors.tuna.×××.edu.cn/docker-ce/linux/ubuntu \
  $(lsb_release -cs) stable＂
// 安裝 Docker
sudo apt install docker-ce

安裝完畢后，嘗試執行命令“sudo docker run hello-world”，出現下面的提示表明安裝成功。

# sudo docker run hello-world
Unable to find image ＇hello-world:latest＇ locally
latest: Pulling from library/hello-world
2db29710123e: Pull complete
Digest: sha256:cc15c5b292d8525effc0f89cb299f1804f3a725c8d05e158653a563f15e4f685
Status: Downloaded newer image for hello-world:latest
Hello from Docker!
This message shows that your installation appears to be working correctly.
...

在默認情況下，必須具有sudo權限才能夠執行Docker命令，用起來不夠方便。為了簡化操作，可以通過執行命令“sudo usermod -aG docker $USER”將當前用戶添加到Docker用戶組中，其中docker即Docker用戶組，它是在Docker的安裝過程中自動創建的，$USER代表當前用戶的環境變量。重啟Ubuntu系統以刷新用戶組信息，之后無須提供sudo權限就可以直接執行Docker命令了。

關于Docker的更多使用方法，可以查閱Docker使用文檔。

其他二進制相關賽題可能用到的工具還包括靜態分析工具、動態調試工具及一些輔助工具等，它們的安裝及使用后續再進行講解。現在，讀者已經搭建好一個最基本的 CTF 學習環境，是時候來嘗試拿下“First Blood”了。

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