QEMU로 시뮬레이션하기

ARM, MIPS 등의 실행 파일을 QEMU로 시뮬레이션 실행시켜 보자.

머릿말

나는 타겟 시스템이나 보드가 없는 경우에, 빌드 테스트나 간단한 실행 테스트 등을 위해서 가끔 QEMU(Quick EMUlator)를 이용하는 경우가 있다. 또 얼마 전에는 업로드된 실행 프로그램의 (ARM, MIPS 등 지원) 보안 검사를 수행하는 웹서버를 구현하였는데, 이때에도 업로드된 프로그램을 실행해 보기 위하여 QEMU를 이용하였다.

QEMU는 특히 임베디드 시스템을 개발하는 엔지니어들에게 유용한 툴인데, 이를 이용하지 않는 엔지니어들이 많아서, 이 글에서는 간단히 QEMU를 이용하는 방법을 공유한다.

QEMU 설치

일반 applicaton을 시뮬레이션하는 경우라면 아래와 같이 설치하면 된다.
```
$ sudo apt install qemu-user qemu-user-static
```
참고로 qemu-user로 설치한 QEMU 툴들은 여러 동적 라이브러를 사용하는데 반하여, qemu-user-static으로 설치한 QEMU 툴들은 동적 라이브러리를 사용하지 않고 단독으로 실행되므로, chroot와 같은 환경에서는 qemu-user-static으로 설치한 QEMU 툴을 사용하는 것이 편리하다.
만약에 Bootloader, Kernel, rootfs 등을 시뮬레이션하는 경우라면 아래와 같이 설치하고 이것을 이용하면 되는데, 이 글에서는 다루지 않겠다.
```
$ sudo apt install qemu-system
```

빌드 및 시뮬레이션

빌드 및 시뮬레이션 방법은 동적 library를 사용하여 빌드하는지 또는 static으로 빌드하는지에 따라서 조금 다르다.
아래에서는 ARM 타겟으로 예를 들겠다. (ARM 용 크로스툴체인이 설치되어 있고, PATH도 추가된 상태라고 가정)

동적 library를 사용하여 빌드하는 경우

아래 예와 같이 크로스툴체인으로 빌드한다.

$ arm-linux-gcc -o test test.c

이후 아래와 같이 file 명령으로 확인해 보면, ARM 용 실행 파일로 빌드되었고, dynamically linked 되어서 기본적으로 ld-linux-armhf.so.3 파일이 필요함을 확인할 수 있다.

$ file test
test: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-armhf.so.3, for GNU/Linux 2.6.16, with debug_info, not stripped

동적 라이브러리를 구성하는 방법에는 아래 방법 중의 하나를 사용할 수 있다.

chroot를 이용하여 격리된 환경을 만들고 여기에 lib를 구성한 후에 (QEMU tool과 시뮬레이션 할 실행 파일도 chroot 경로에 구성해야 함), 아래 예와 같이 실행시킬 수 있다. (이때 QEMU 툴은 static 툴을 사용해야 동적 라이브러리 관련 에러가 발생하지 않음)
```
$ sudo chroot {chroot_dir} ./qemu-mipsel-static {test_app}
```
또는 아래 예와 같이 구성한 동적 lib 경로를 주어서 실행시킬 수 있다. ({lib_path} 경로에 ld 라이브러리와 동적 링크되는 라이브러리를 포함시키면 됨)
```
$ qemu-arm {lib_path}/{ld_library_파일} --library-path {lib_path} {test_app}
```

위 방법 중에서 일반적으로 2번 방법이 더 편리하므로, 여기서는 2번 방법으로 예를 들어보겠다.
해당 실행 프로그램이 동적 링크하는 라이브러리 전체를 알아야 하는데, 아래 예와 같이 readelf 툴을 이용하여 알아낼 수 있다.

$ readelf -d test | grep "Shared library:"
 0x00000001 (NEEDED)                     Shared library: [libc.so.6]

이제 예를 들어 lib_arm 디렉토리를 만들고, 여기에 ld-linux-armhf.so.3 파일과 libc.so.6 파일을 포함시키면 된다. (보통 사용한 툴체인의 sys-root 경로에서 얻을 수 있음)
이후 아래 예와 같이 실행시키면, 정상적으로 실행됨을 확인할 수 있다.

$ qemu-arm lib_arm/ld-linux-armhf.so.3 --library-path lib_arm/ ./test

참고로 위에서 만약에 libc.so.6 파일을 포함시키지 않았다면 아래와 같은 에러가 발생할 것이다.

./test: error while loading shared libraries: libc.so.6: cannot open shared object file: No such file or directory

ARM64(즉, aarch64) 타겟으로 빌드 및 시뮬레이션하는 경우라면 라이브러리 디렉토리(아래에서는 lib_aarch64)에 필요한 라이브러리 파일들을 구성한 후에, 아래 예와 같이 실행하면 된다.
$ aarch64-linux-gcc -o test test.c
$ file test
test: ELF 64-bit LSB executable, ARM aarch64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-aarch64.so.1, for GNU/Linux 3.7.0, with debug_info, not stripped
$ readelf -d test | grep "Shared library:"
$ qemu-aarch64 lib_aarch64/ld-linux-aarch64.so.1 --library-path lib_aarch64/ ./test

정적(static)으로 빌드하는 경우

아래 예와 같이 --static 옵션을 추가하여 static으로 빌드하면 실행 시에 동적 라이브러리가 필요 없게 된다. (물론 실행 파일의 크기는 더 커지게 됨)

$ arm-linux-gcc -o test test.c --static

빌드된 실행 파일을 file 명령으로 확인해 보면, 아래 예와 같이 statically linked 되어 있음을 확인할 수 있다.

$ file test
test: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), statically linked, for GNU/Linux 2.6.16, with debug_info, not stripped

이렇게 빌드한 실행 파일은 아래 예와 같이 QEMU로 시뮬레이션할 수 있다. (즉, 동적 라이브러리 없이 실행 가능)

$ qemu-arm ./test

파이썬으로 QEMU 시뮬레이션

참고로 위 원리를 이용하여 파이썬으로 입력 실행 프로그램을 자동으로 아키텍쳐를 디텍트한 후에 해당하는 QEMU로 실행시키는 코드를 아래와 같이 작성해 보았고, 정상 동작함을 확인하였다.
(물론 필요한 lib_arm, lib_aarch64 등의 동적 라이브러리 디렉토리 구성을 해놔야 함)

#!/usr/bin/env python3

import os
import sys
import subprocess
from pathlib import Path

def simulate_exec_file(file_name: str):
    chip_arch = get_chip_arch(file_name)
    if chip_arch == "":
        print("Error: Failed to find chip architecture")
        return

    script_path = os.path.abspath(__file__)
    directory_path = os.path.dirname(script_path)

    qemu_exec = ""
    library_path = ""
    ld_path = ""
    if chip_arch == "MIPS32":
        library_path = directory_path + "/lib_mips"
        ld_path = library_path + "/ld.so.1"
        qemu_exec = "qemu-mipsel"
    elif chip_arch == "aarch64":
        library_path = directory_path + "/lib_aarch64"
        ld_path = library_path + "/ld-linux-aarch64.so.1"
        qemu_exec = "qemu-aarch64"
    elif chip_arch == "ARM32":
        library_path = directory_path + "/lib_arm"
        ld_path = library_path + "/ld-linux-armhf.so.3"
        qemu_exec = "qemu-arm"
    else:
        return

    try:
        result = subprocess.run([qemu_exec, ld_path, "--library-path", library_path, file_name], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, universal_newlines=True, check=False)
        output = result.stdout
        print(output)
    except subprocess.CalledProcessError as e:
        print(e.stdout)
        return

def get_chip_arch(file_name: str) -> str:
    try:
        result = subprocess.run(['file', file_name], stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, universal_newlines=True, check=False)
        output = result.stdout
    except subprocess.CalledProcessError as e:
        print(e.stdout)
        return ""

    if ": ELF" not in output:
        return ""

    if "MIPS32" in output:
        return "MIPS32"
    elif "aarch64" in output:
        return "aarch64"
    elif "ARM" in output:
        return "ARM32"
    elif "x86-64" in output:
        return "x86-64"
    return ""

if __name__ == '__main__':
    if (len(sys.argv) < 2):
        print("Error: No executable file name")
        sys.exit(1)

    file_path = Path(sys.argv[1]).resolve()

    if file_path.exists() is False:
        print(f"{file_path} is not exist")
        sys.exit(1)
    if file_path.is_file() == False:
        print(f"{file_path} is not a file")
        sys.exit(1)

    simulate_exec_file(str(file_path))

Twitter Facebook LinkedIn

Youngrok