ProxmoxVE 下的 Windows 内核调试环境配置

ProxmoxVE 下的 Windows 内核调试环境配置
2023-2-27 11:5:0 Author: paper.seebug.org(查看原文) 阅读量:13 收藏

作者：[email protected]知道创宇404实验室
日期：2023年2月27日

0x00 前言

windows内核调试常用于 windows 驱动开发调试、内核分析等，使用 WinDBG 可以很方便的进行本地内核调试，但本地内核调试存在较多的限制(如不能使用导致主机暂停运行的指令)，通常我们都会通过虚拟机软件搭建 windows 双机调试环境，其中一台作为调试机(debuger)，另一台作为被调试机(debugee)，双机调试几乎可以满足大部分的 windows 内核分析、调试等工作。

通过 Vmware 虚拟机软件搭建 windows 双机调试环境是最常见的方案，搭建步骤和坑点基本都由前辈梳理成章了，但我日常工作都由 ProxmoxVE 虚拟机支撑起来，遂想使用 ProxmoxVE 配置 windows 的内核调试环境，在此过程中遇到了不少难点。

本文对 ProxmoxVE 下的 windows 内核调试环境配置进行了详细介绍和实验演示，对其中的难点进行了简易分析，希望本文能对有相同需求的小伙伴提供一些帮助。

0x01 基本环境

本文环境如下：

ProxmoxVE 7.2-3
Windows10 1909 专业版

ProxmoxVE 是一套基于 KVM 的虚拟化解决方案，由于其开源特性以及 Linux 的亲和性，ProxmoxVE 通常在企业内部大量使用，同时也常常作为商业软件的底层支撑组件。同类软件还有大名鼎鼎的 Vmware 和 VirtualBox，这些软件在使用方面都大同小异。

ProxmoxVE 底层是一台 Debian 主机，然后基于 KVM+Qemu 实现了虚拟化软件，配置完成后可通过 web 控制台(https://[ip]:8006)进行管理和使用：

[1.PVE的web控制台]

通常情况下，我们使用 Vmware 搭建 windows 双机调试环境，都以宿主机作为调试机(debuger)，以虚拟机作为被调试机(debugee)，通过 Vmware 配置串口设备(serial) 通信进行调试；

而 ProxmoxVE 是一台 Linux 主机，要搭建 windows 双机调试环境必需要两台虚拟机才行。

0x02 本地内核调试

我们先从简单的本地内核调试环境开始，以此来准备基本的调试环境；在 ProxmoxVE 中安装 windows10 系统，并完成基本的配置如下：

[2.本地内核调试环境]

我们从官网下载 WinDBG 并在 windows10 系统上进行安装：

[3.windbg安装配置]

并在环境变量中(系统变量)配置符号表设置：

_NT_SYMBOL_PATH
SRV*c:\symbols*http://msdl.microsoft.com/download/symbols

配置完成后，WinDBG在调试过程中将自动从微软符号表服务器下载对应数据，并保存至 C:\symbols 下；
也可以在 WinDBG 中使用 Ctrl+S 配置符号表，不过采用环境变量的方式还可以方便其他应用使用该配置。

随后我们使用 bcdedit 修改 windows 的启动配置数据文件，使用管理员权限打开 powershell：

# 开启 debug
$ bcdedit /debug on
# 查看 bcdedit 配置
$ bcdedit
# 查看 dbgsettings 配置(默认为 local)
$ bcdedit /dbgsettings

执行如下：

[4.bcdedit配置本地调试]

通过 windows 开机启动项选择「启用调试模式」也是一样的，不过通过 bcdedit 修改是永久有效的。
如果不想影响目前的配置，可以通过 bcdedit /copy "{current}" /d "debug test" 复制当前配置，随后使用 bcdedit /set "{id}" debug on 进行配置，在开机时可选择不同的启动项进入系统。

随后重启 windows10 虚拟机生效配置，使用管理员权限启动 WinDBG，选择 File - Kernel Debug，选择 Local 本地调试标签：

[5.windbg-local标签]

随后便可以正常进行本地内核调试，我们能够查看内核中的各项数据；但本地内核调试不能影响系统的运行，所以不能打断点、单步调试等，当然 go 指令也是不能使用的：

[6.windbg本地内核调试]

0x03 网络双机调试

从 windows8 开始微软提供了网络调试内核的方法，其简称为 kdnet，因为通信效率要比串口高，所以使用起来体验更好，是目前微软推荐的内核调试方法。

网络双机调试除了对系统版本有要求，对网卡也有一定的要求，支持的厂商和型号可以查阅 https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/debugger/supported-ethernet-nics-for-network-kernel-debugging-in-windows-10 ；除此之外，还需要两台主机位于同一子网内。

那么我们需要在 ProxmoxVE 再添加一台 windows10 虚拟机作为被调试机(debugee)，以我们上文本地内核调试中的主机作为调试机(debuger)，以此用两台虚拟机组成 windows 网络双机调试的环境，如下：

本地内核调试中的配置 bcdedit /debug on 不会影响该步骤，也可以手动设置 bcdedit /debug off 关闭调试功能。

[7.网络双机调试环境]

搭建这台被调试机(debugee)时需要注意，在配置操作系统类型时应选择 Other 类型，如下：(如果选择 windows 类型，ProxmoxVE 在虚拟化时会提供 Hyper-V 的各项支持，以此来提高虚拟机的性能，但这些项导致网络调试无法正常运行，我们将在 ### 0x05 kdnet问题排查 进行简要分析)

[8.系统类型配置为other]

由于配置为 Other 类型，ProxmoxVE 可能无法提供 windows 的推荐配置，最终导致无法正确安装 windows 系统，若遇到该问题可排查磁盘是否设置为 IDE 类型。

除此之外，在网卡配置阶段需要选择 Intel E1000，如下：

[9.网卡配置为intel e1000]

根据测试 e1000 网卡在系统内部的硬件 id 为 VEN_8086&DEV_100E，满足网络调试对网卡的要求；另外 Realtek RTL8139 不满足要求，而VirtIO 和 Vmware vmxnet3 需要安装特定驱动才能使用。

接下来完成 windows10 系统安装和基础配置，随后进行网络调试的配置；官方推荐使用 kdnet 工具进行自动配置，但并不能顺利配置；

我们从调试机(debuger) 的 WinDBG 目录中(C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Debuggers\x64) 拷贝 kdnet.exe 和 VerifiedNICList.xml 到被调试机上(debugee)，按官方教程操作如下：

[10.kdnet自动配置失败]

虽然我们的网卡位于 VerifiedNICList 中，但 kdnet.exe 无法正确解析。我们按官方手动配置教程进行设置：

# 开启 debug
$ bcdedit /debug on
# 设置网络调试参数
# 设置调试机(debuger)的 ip 地址为 10.0.25.192
# 设置被调试机的端口为 50000 (必须>=49152)
# 设置被调试机的连接密码为 p.a.s.s (必须为 x.x.x.x 格式)
$ bcdedit /dbgsettings NET HOSTIP:10.0.25.192 PORT:50000 KEY:p.a.s.s
# 查看调试配置
$ bcdedit /dbgsettings

[11.手动配置kdnet]

完成配置后重启生效；随即我们在调试机(debuger) 使用 WinDBG 进行网络调试配置，端口号为 50000，密钥为 p.a.s.s，如下：

[12.windbg-net标签]

无论被调试机(debugee) 是在运行期间还是重启阶段，都可以被调试机(debuger)正确连接并进行调试，连接成功后可使用 break 断下来：

[13.windbg网络双机调试]

如果 ProxmoxVE 和虚拟机未采用 DHCP 分配 ip 地址，被调试机(debugee) 会在启动阶段卡在 windows logo 阶段 10min 左右，我们将在 ### 0x05 kdnet问题排查 进行简要分析。

0x04 串口双机调试

微软从 windows8 才开始提供网络调试功能，如果要调试 windows7 系统则需要使用传统的串口双机调试的方法了。这里我们复用上文环境，配置 windows10 虚拟机的串口双机调试，windows7 同理可得，环境配置如下：

上文中网络双机调试中的各项配置、操作系统类型、网卡类型均不影响该步骤。

[14.串口双机调试环境]

首先我们为两台 windows10 虚拟机添加串口(虚拟机关机后再开机硬件改动生效)，如下：

[15.pve添加串口设备]

配置成功后，可在 windows 设备管理器中看到 com 设备。

目前这两个串口独立运行，我们通过 ssh 登录 ProxmoxVE 的控制台，使用 socat 将两个接口连接起来：

# 正常启动两台虚拟机后
# pve(windows10-1)=132 / pve(windows10-2)=133
# 使用 tmux 开启后台终端，socat 需要一直运行
$ tmux
# socat 连接两个串口设备
# 使用 -v 查看运行日志
# 使用 UNIX-CLIENT 的类型打开文件
$ socat -v UNIX-CLIENT:/var/run/qemu-server/132.serial0 UNIX-CLIENT:/var/run/qemu-server/133.serial0

配置完成后，我们在被调试机(debugee)中设置串口调试：

# 开启 debug
$ bcdedit /debug on
# 设置串口调试参数
# 设置调试串口为 1 (com1)
# 设置串口波特率为 115200
$ bcdedit /dbgsettings SERIAL DEBUGPORT:1 BAUDRATE:115200
# 查看调试配置
$ bcdedit /dbgsettings

执行如下：

[16.bcdedit配置串口调试]

随后我们切换至调试机(debuger)下，使用 WinDBG 设置串口调试配置，波特率为 115200，端口为 1，不勾选 pipe，勾选 reconnect，如下：

[17.windbg-com标签]

设置完毕后，在 WinDBG 显示 Waiting to reconnect... 后，重启被调试机(debugee)，调试机(debuger)将在其系统启动时连接上去，使用 break 可将其断下来，如下：

[18.windbg串口双机调试]

我这里首次连接时 WinDBG 将异常退出，不过重新启动 WinDBG 并设置好参数即可成功连接。

ProxmoxVE串口调试的一些补充
熟悉 Vmware 搭建 windows 内核调试的朋友，通常都使用命名管道进行配置如 \\.\pipe\com1，但 ProxmoxVE 下的串口设备(serial) 仅支持 /dev/.+|socket 两种类型(实际上底层的 kvm/qemu 支持很多，但 ProxmoxVE 会直接报错无法启动虚拟机)，这为我们的串口调试带了一些困难；

同时我们默认配置的串口设备类型为 socket，其实际运行的参数如下：

[19.kvm实际启动参数-serial]

串口设备的参数为 -chardev socket,id=serial0,path=/var/run/qemu-server/133.serial0,server=on,wait=off，同样其参数在 ProxmoxVE 下不能修改。

在此限制条件下，我们可以使用 socat 以 UNIX-CLIENT 的方式将两台虚拟机的串口设备进行连接，从而实现串口双机调试。

0x05 kdnet问题排查

1.hyper-v虚拟化导致kdnet无法工作
在上文「网络双机调试」的环境配置中，我们在 ProxmoxVE 配置被调试机(debugee)时将其操作系统类型设置为 Other 类型，这样才能使 kdnet 正常工作，为什么呢？

我们按正常的安装流程在 ProxmoxVE 中安装一台 windows10(即操作系统类型选择为 win10/2016/2019) 并启动，通过 ssh 登录 ProxmoxVE 查看底层 kvm/qemu 的启动参数，如下：

[20.kvm实际启动参数-cpu]

我们可以看到其 cpu 参数为 -cpu kvm64,enforce,hv_ipi,hv_relaxed,hv_reset,hv_runtime,hv_spinlocks=0x1fff,hv_stimer,hv_synic,hv_time,hv_vapic,hv_vpindex,+kvm_pv_eoi,+kvm_pv_unhalt,+lahf_lm,+sep，其中 hv_* 的配置表示 kvm 将以 hyper-v 的方式提供虚拟化功能，windws 虚拟机将认为自己运行在 hyper-v 的技术之上，以便使用 hyper-v 的功能并在一定程度上提高运行性能。

而根据前辈在 kvm/qemu 下使用的 kdnet 的经验(https://www.osr.com/blog/2021/10/05/using-windbg-over-kdnet-on-qemu-kvm/) 来看，hv_* 配置项会导致 kdnet 工作时认为自身位于 hyper-v 环境下，从而使用 hyper-v 中未公开的通信机制，最终导致 kdnet 无法正常工作；

经过测试验证，在我们的环境下的表现和前辈文章不一致，hv-vendor-id(CPUID) 并不会被修改，这可能和 qemu 的版本有关系，但 hv_* 的配置项确实会影响 kdnet 的工作。我们沿着这个思路查找 ProxmoxVE 调用 kvm/qemu 的源码，在 qemu-server 源码包中 qemu-server/PVE/QemuServer.pm#vm_start() 找到调用 kvm/qemu 的代码入口；

随后跟入该函数，在 qemu-server/PVE/QemuServer.pm#config_to_command() 找到拼接 qemu 命令的代码如下：

[21.pve源码拼接qemu命令]

随后在 qemu-server/PVE/QemuServer/CPUConfig.pm#get_cpu_config() 找到 -cpu 参数的生成代码：

[22.pve源码拼接cpu参数]

结合上下文可以了解到，当操作系统为 win10 等类型时，此处将自动在 -cpu 参数中添加 hv_* 参数，以更好的支持 windows 虚拟机。

那么在设置虚拟机硬件时，我们只需要选择操作系统类型为 other，即可避免 ProxmoxVE 使用 hv_* 参数启动虚拟机，从而保证 kdnet 可以正常工作。

PS:
1.对于已配置好的虚拟机，可使用 ssh 登录 ProxmoxVE，修改虚拟机配置文件 /etc/pve/qemu-server/[id].conf，设置启动的 ostype: other，也可以关闭 hyber-v 的虚拟化。
2.对于已成功配置网络调试的主机，即便再重新打开 hyber-v 的虚拟化，kdnet 也能正常工作(这可能和已成功配置的网络调试器驱动有关？)

2.非DHCP的调试机(debugee)启动时卡logo界面
当我们使用 bcdedit 配置好网络调试后，重启虚拟机可以发现 windows 使用了 以太网(内核调试器) 替代了原始网卡：

[23.调试器网卡驱动]

以太网(内核调试器) 其默认采用 DHCP 的方式获取 ip，而通常情况下 ProxmoxVE 都采用静态 ip 分配，在系统启动阶段，该网卡将首先等待 DHCP 分配 ip，若获取失败，则自己分配 169.254.*.* 的地址；这个阶段发生在 windows logo 界面，大致需要 10min。

采用静态分配地址的 ProxmoxVE 服务器，可在被调试机(debugee)内修改网络调试，关闭 DHCP 即可解决：

# 查看网络调试配置
$ bcdedit /dbgsettings
# 关闭网络调试配置中的 dhcp
$ bcdedit /set "{dbgsettings}" dhcp no
# 查看网络调试配置
$ bcdedit /dbgsettings

执行如下：

[24.关闭网络调试的dhcp]

3.kdnet下被调试机联网问题
在某些场景下，我们需要在联网条件下进行内核调试，串口调试不会影响网络，但网络调试会使用 以太网(内核调试器) 替代原始网卡，其默认采用 DHCP 方式，若上游配置好了 DHCP 服务器则可正常使用；

如果采用静态地址分配，则进入虚拟机后，在 以太网(内核调试器) 上配置静态地址即可，联网和网络调试不会冲突，都可以正常使用：

[25.调试器网卡配置静态ip]

4.kdnet下多网卡的被调试机配置
某些场景下，我们的虚拟机具有多张网卡，若想指定具体的网卡作为调试网卡，可以使用如下命令：

# 在网络调试配置成功的前提下
# 设置 busparams 参数
# 通过设备管理器查看对应网卡的 PCI 插槽 [bus.device.function]
$ bcdedit /set "{dbgsettings}" busparams 0.19.0
# 查看网络调试配置
$ bcdedit /dbgsettings

执行如下：

[26.指定网络调试器网卡]

0x06 vmware碎碎念

通过以上一阵折腾，不得不说 vmware 在搭建 windows 调试环境这条路上帮我们铺平了道路；在实验过程中，我同时也配置了 vmware 下的环境，在这里我补充两个偏门的点，希望可以帮助到使用 vmware 搭建环境的小伙伴。

这里的测试环境如下：

Windows10 1909 专业版(宿主机)
Vmware Workstation 17
Windows10 1909 专业版(虚拟机)

1.vmware下的网络调试搭建
在网络调试的需求下，无论是使用宿主机调试虚拟机，还是使用虚拟机调试虚拟机，vmware 均可以完美支持；其 vmware 提供的虚拟机网卡默认支持 windows 网络调试，同时 vmware 默认采用 NAT 网络并默认开启 DHCP。

2.vmware串口调试搭建
使用 vmware 通过宿主机串口调试虚拟机，这我们再熟悉不过了，在虚拟机串口中配置命名管道 \\.\pipe\com1，设置该端是服务器，设置另一端是应用程序，勾选 轮询时主动放弃CPU，如下：

[27.vmware被调试机串口配置]

在虚拟机使用 bcdedit 配置串口调试，随后在宿主机中打开 WinDBG 使用串口调试连接即可，如下：

[28.vmware宿主机串口调试]

但如果要使用虚拟机串口调试虚拟机，这就稍微有点不同了；首先配置被调试机(debugee)串口，配置命名管道 \\.\pipe\com1，设置该端是服务器，设置另一端是虚拟机，勾选 轮询时主动放弃CPU，如下：

[29.vm-vm被调试机串口调试]

随后配置调试机(debuger)串口，配置命名管道 \\.\pipe\com1，设置该端是客户端，设置另一端是虚拟机，如下：

[30.vm-vm调试机串口调试]

同样也在被调试机(debugee) 使用 bcdedit 配置串口调试，然后在调试机(debuger)中使用 WinDBG 进行串口调试，这里需要注意串口设备为 com1，且不能勾选 pipe(因为命名管道是对于宿主机的，而它在虚拟机内部仅仅是 com 口)，如下：

[31.vm-vm windbg配置串口调试]

配置完成后，被调试机(debugee)重启即可成功连接。

0x07 References

https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows-hardware/drivers/debugger/debugger-download-tools
https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/devtest/bcdedit--dbgsettings
https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/debugger/supported-ethernet-nics-for-network-kernel-debugging-in-windows-10
https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/debugger/setting-up-a-network-debugging-connection-automatically
https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/debugger/setting-up-a-network-debugging-connection
https://forum.proxmox.com/threads/two-windows-guests-communicating-via-serial-console-comn.67588/
https://forum.proxmox.com/threads/serial-port-between-two-vms.63833/#post-290092
https://superuser.com/questions/1404669/crossover-computer-connection-vs-network-switch-broadcast-packet-differences
https://www.linux-kvm.org/page/WindowsGuestDrivers/GuestDebugging
https://www.osr.com/blog/2021/10/05/using-windbg-over-kdnet-on-qemu-kvm/
https://www.qemu.org/docs/master/system/i386/hyperv.html
https://git.proxmox.com/?p=qemu-server.git;a=summary

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