四级分页下的页表自映射与基址随机化原理介绍

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2022年9月2日20:19:04评论35 views字数 6342阅读21分8秒阅读模式

四级分页下的页表自映射与基址随机化原理介绍

本文为看雪论坛精华文章

看雪论坛作者ID：REPE

一

x64分页基础

1、介绍

IA-32e模式下，虚拟地址宽度为64位，但只有低48位有效，最多可以寻址256TB，高16位用作符号拓展（全0或全1）。CPU 分页机制变为4级，分别对应 PML4、PDPT、PD、PT，并将48位虚拟地址按 9-9-9-9-12 索引格式划分。

其中，Cr3 寄存器中的物理地址指向 PML4 表的首地址。上图中表项均占8个字节，物理页面大小仍然为4KB。

2、实例

Windbg 中手动拆分64位虚拟地址，并按照上面的分页规则计算出物理地址。实验选用 idt 表首地址进行拆分（在计算物理地址时，需要对页表项的属性位清0）。

kd> r idtridtr=fffff8037888e000kd> dq fffff8037888e000fffff803`7888e000  761e8e00`00107e00 00000000`fffff803fffff803`7888e010  761e8e04`00108140 00000000`fffff803fffff803`7888e020  761e8e03`00108600 00000000`fffff803fffff803`7888e030  761eee00`00108ac0 00000000`fffff803fffff803`7888e040  761eee00`00108e00 00000000`fffff803fffff803`7888e050  761e8e00`00109140 00000000`fffff803fffff803`7888e060  761e8e00`00109680 00000000`fffff803fffff803`7888e070  761e8e00`00109b80 00000000`fffff803

将虚拟地址按照 9-9-9-9-12 格式划分（注意低48位有效）

fffff803`7888e000 -> f803`7888e000 1 1111 0000            0x1f0          PML4I0 0000 1101            0xd            PDPTI1 1100 0100            0x1c4          PTI0 1000 1110            0x8e           PDI000000000000           0x0            Offset

访问 Cr3 + PML4I * 8 指向的物理地址得到 PDPTE 的物理地址

kd> r cr3cr3=0000000052c76000kd> !dq 52c76000+1f0*8#52c76f80 00000000`00c08063 00000000`00000000#52c76f90 00000000`00000000 00000000`00000000#52c76fa0 00000000`00000000 00000000`00000000#52c76fb0 0a000000`0bafc863 00000000`00000000#52c76fc0 00000000`00000000 00000000`00000000#52c76fd0 00000000`00000000 00000000`00000000#52c76fe0 00000000`00000000 00000000`00000000#52c76ff0 00000000`00000000 00000000`00ca8063

访问 PDPTE + PDPTI * 8 指向的物理地址得到 PTE 的物理地址

kd> !dq c08000+d*8#  c08068 00000000`00c09063 00000000`00000000#  c08078 00000000`00000000 00000000`00000000#  c08088 00000000`00000000 00000000`00000000#  c08098 00000000`00000000 00000000`00000000#  c080a8 00000000`00000000 00000000`00000000#  c080b8 00000000`00000000 00000000`00000000#  c080c8 00000000`00000000 00000000`00000000#  c080d8 00000000`00000000 00000000`00000000

访问 PTE + PTI * 8 指向的物理地址得到 PDE 的物理地址

kd> !dq c09000+1c4*8#  c09e20 00000000`00ca7063 0a000000`03996863#  c09e30 0a000000`0f5bc863 0a000000`0f5bd863#  c09e40 0a000000`0f5be863 0a000000`0f5bf863#  c09e50 0a000000`032c0863 0a000000`032c1863#  c09e60 0a000000`040c3863 0a000000`02bc4863#  c09e70 0a000000`02bc5863 0a000000`02bc6863#  c09e80 0a000000`02bc7863 0a000000`02bc8863#  c09e90 0a000000`02bc9863 0a000000`02bca863

访问 PDE + PDI * 8 指向的物理地址得到物理页面

kd> !dq ca7000+8e*8#  ca7470 89000000`0588e121 89000000`0588f963#  ca7480 89000000`05890963 89000000`05891963#  ca7490 89000000`05892963 89000000`05893963#  ca74a0 00000000`00000000 89000000`05895963#  ca74b0 89000000`05896963 89000000`05897963#  ca74c0 89000000`05898963 89000000`05899963#  ca74d0 89000000`0589a963 89000000`0589b963#  ca74e0 00000000`00000000 89000000`0589d963

访问物理页面 + Offset 指向的物理地址得到内容

kd> !dq 0588e000# 588e000 761e8e00`00107e00 00000000`fffff803# 588e010 761e8e04`00108140 00000000`fffff803# 588e020 761e8e03`00108600 00000000`fffff803# 588e030 761eee00`00108ac0 00000000`fffff803# 588e040 761eee00`00108e00 00000000`fffff803# 588e050 761e8e00`00109140 00000000`fffff803# 588e060 761e8e00`00109680 00000000`fffff803# 588e070 761e8e00`00109b80 00000000`fffff803

与访问虚拟内存得到的结果一致。

二

页表自映射

1、介绍

在64位模式下，高等级页表项都指向低等级页表项的物理地址，依次类推，直到最低级别页表项，即可获取物理页面进而读取内容。在此过程中 Cr3 寄存器中存储了最高级页表（PML4）的表基物理地址。为了更好的管理这些页表，微软采取了最高级页表基址自映射的方式实现仅仅利用8字节物理内存，就可以在每次访问分页管理相关的内存时，少做一次页表查询操作来优化速度。

2、原理

在四级页表的最高级 PML4 页表中存在一项，里面保存了 PML4 页表的表基物理地址，即 Cr3 。假设这一项在 PML4 表中的索引为 0x100，如下图所示：

此时满足：（ ![物理地址] 表示读取物理地址的内容）

![Cr3 + 0x100 * 8]  =  Cr3

用于分页管理的物理页面大小总计 512 512 512 * 4KB = 512GB，而一个 PML4 表项恰好可以管理512GB内存。

PML4 表中索引位置0x100的元素用于内存管理且满足上述关系，那么此时用于内存管理的虚拟地址空间为：

0xFFFF8000`00000000 ~ 0xFFFF807F`FFFFF000

按照 9-9-9-9-12 分页方式去拆分上述边界物理地址：（只使用低48位）

// 起始地址0x8000`00000000       1 0000 0000                0x1000 0000 0000                0x00 0000 0000                0x00 0000 0000                0x00000 0000 0000             0x0 // 结束地址0x807F`FFFFF0001 0000 0000                0x1001 1111 1111                0x1FF1 1111 1111                0x1FF1 1111 1111                0x1FF0000 0000 0000             0x0

常规查询流程：

// 起始地址![Cr3 + 0x100 * 8] = PDPTE![PDPTE + 0x0 * 8] = PDE![PDE + 0x0 * 8] = PTE![PTE + 0x0 * 8] = 物理页面 // 结束地址![Cr3 + 0x100 * 8] = PDPTE![PDPTE + 0x1FF * 8] = PDE![PDE + 0x1FF * 8] = PTE![PTE + 0x0 * 8] = 物理页面

根据上述等式，![Cr3 + 0x100 * 8] = Cr3，所以查询流程变为：

// 起始地址![Cr3 + 0x0 * 8] = PDE![PDE + 0x0 * 8] = PTE![PTE + 0x0 * 8] = 物理页面 // 结束地址![Cr3 + 0x1FF * 8] = PDE![PDE + 0x1FF * 8] = PTE![PTE + 0x0 * 8] = 物理页面

很神奇，查询页表操作由四次变成了三次，效率大大提升。而且只是使用了8字节的物理地址空间来保存 Cr3 。下图展示了优化后的查询过程：

3、规律

为了写代码方便读写页表属性，四级页表都应该有自己的表基虚拟地址，以便访问其中的元素。

3.1 推导最高级页表 PML4 的基址

PML4 页表基址有两个特点：

属于虚拟地址
虚拟地址的内容是Cr3

假设该虚拟地址按照 9-9-9-9-12 分页规则拆分得到的索引依次为 x、y、z、r，根据页表解析规则：

![Cr3 + x * 8] = PDPTE![PDPTE + y * 8] = PDE![PDE + z * 8] = PTE![PTE + r * 8] = 物理页面 = Cr3

还需要满足 ![Cr3 + x * 8] = Cr3，所以当 x = y = z = r 的时候上述条件均满足。

3.2 推导 PDPT 表的基址

PDPT 页表基址有两个特点：

属于虚拟地址
虚拟地址的内容不再是Cr3，而是 ![Cr3 + 0 * 8] 指向的物理地址。

假设该虚拟地址按照 9-9-9-9-12 分页规则拆分得到的索引依次为 x、y、z、r，根据页表解析规则：

![Cr3 + x * 8] = PDPTE![PDPTE + y * 8] = PDE![PDE + z * 8] = PTE![PTE + r * 8] = ![Cr3]

还需要满足 ![Cr3 + x * 8] = Cr3，所以当 x = y = z 且 r = 0 的时候上述条件均满足。

3.3 推导 PD、PT 表的基址

方法同理。

3.4 结论

页内偏移均为0

PML4：PML4i == PDTi == PDi == PTi == Index
PDPT：PML4i == PDTi == PDi == Index && PTi == 0
PD：PML4i == PDTi == Index && PDi == 0 && PTi == 0
PT：PML4i == Index && PDTi == 0 && PDi == 0 && PTi == 0

三

基址随机化

1、原理

上面得到结论中的 Index 就是自映射表项在 PML4 表中的索引，这个值的变化就是造成各级页表基址变化的原因。

系统重启前的 PML4 基址：

0xFB7DBEDF60001 1111 0110            0x1F6        PML41 1111 0110            0x1F6        PDPT1 1111 0110            0x1F6        PD1 1111 0110            0x1F6        PT000000000000           0x0 Index为：0x1F6

系统重启后的PML4基址：

0x8D46A351A0001 0001 1010            0x11A1 0001 1010            0x11A1 0001 1010            0x11A1 0001 1010            0x11A000000000000           0 Index为：0x11A

2、定位

页表基址随机化导致写代码读写页表属性变得不方便，但可以利用页表自映射的一些结论来获取 PML4 表基址。PML4 表基址的内容为Cr3的值，并且位于 PML4 表所在的页面内。因为Cr3里保存了 PML4 的表基物理地址，所以可以通过映射Cr3物理地址的虚拟地址，遍历这个虚拟地址页面的512个地址，哪个地址符合上述条件，哪个地址就是 PML4 表基址。下面给出驱动代码实现：

ULONG64 GetPml4Base(){    PHYSICAL_ADDRESS pCr3 = { 0 };    pCr3.QuadPart = __readcr3();    PULONG64 pCmpArr = MmGetVirtualForPhysical(pCr3);     int count = 0;    while ((*pCmpArr & 0xFFFFFFFFF000) != pCr3.QuadPart)    {        if (++count >= 512)        {            return -1;        }        pCmpArr++;    }    return (ULONG64)pCmpArr & 0xFFFFFFFFFFFFF000;}

得到了 PML4 表基址，就可以得到 Index 索引值，其他各级页表基址也就都可以得到了。

ULONG64 GetPdptBase(ULONG64 ulPml4Base){    return (ulPml4Base >> 21) << 21;} ULONG64 GetPdBase(ULONG64 ulPml4Base){    return (ulPml4Base >> 30) << 30;} ULONG64 GetPtBase(ULONG64 ulPml4Base){    return (ulPml4Base >> 39) << 39;}

得到了 PML4 表基址，就可以得到 Index 索引值，其他各级页表基址也就都可以得到了。

参考文档：

Getting Physical: Extreme abuse of Intel based Paging Systems - Part 2 - Windows (coresecurity.com)https://www.coresecurity.com/core-labs/articles/getting-physical-extreme-abuse-of-intel-based-paging-systems-part-2-windows

关于WIndows内核自映射方案的通俗解释 - SivilTaram - 博客园 (cnblogs.com)https://www.cnblogs.com/SivilTaram/p/WindowsKernelMapping.html

[原创]逆向TesSafe.sys有感：鹅厂是如何定位随机化的PTE_BASE https://bbs.pediy.com/thread-254276.htm

x64内核研究04分页 https://www.bilibili.com/video/BV1yJ411T7dz?spm_id_from=333.999.0.0

四级分页下的页表自映射与基址随机化原理介绍