寫在前面
此系列是本人一個字一個字碼出來的,包括示例和實驗截圖。由於系統內核的復雜性,故可能有錯誤或者不全面的地方,如有錯誤,歡迎批評指正,本教程將會長期更新。 如有好的建議,歡迎反饋。碼字不易,如果本篇文章有幫助你的,如有閑錢,可以打賞支持我的創作。如想轉載,請把我的轉載信息附在文章后面,並聲明我的個人信息和本人博客地址即可,但必須事先通知我。
你如果是從中間插過來看的,請仔細閱讀 羽夏看Win系統內核——簡述 ,方便學習本教程。
看此教程之前,問幾個問題,基礎知識儲備好了嗎?搭建好環境了嗎?上一節教程學會了嗎?沒有的話就不要繼續了。
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CPU分級
如果要講段描述符與段選擇子,先介紹CPU分級的概念。數值上越小,權限越大。如果低權限訪問高權限的東西,會導致失敗。0環被內核使用,雖然1環和2環存在,但Windows只用了3環。注意在學習保護模式是時候不要把操作系統的概念扯進去,還沒到操作系統層面。 CPU分級示意圖如下:
GDT 與 LDT
GDT是全局描述符表。LDT為局部描述符表,但Windows並沒有使用它,故不再介紹,感興趣請查詢Intel白皮書。當我們執行類似MOV DS,AX指令時,CPU會查表,根據AX的值來決定查找GDT還是LDT,並找到對應的段描述符。段描述符將會在后面部分進行介紹。
GDT表存在於內存之中。CPU要想找到它,就必須知道它的位置。於是乎CPU有一個寄存器。它被稱之為GDTR,存儲了GDT表的位置和大小,是一個48位的寄存器,用C語言表示如下:
struct GDTR
{
DWORD GDTBase; //GDT表的地址
SHORT limit; //GDT表的大小
}
那么,我們如何通過WinDbg來獲取GDT的地址、大小和GDT表里的成員呢?首先提一句,段描述符大小為64位。有關其操作見下圖:
r gdtr指令表示讀取GDT表的地址;r gdtl指令表示讀取GDT的大小;dq 8003f000 l20指令表示從0x8003f000地址(即為GDT表的地址)讀取0x20個64位數據,如果沒有l20,默認0x10個。這些都是以后常用的指令,需要熟練掌握。
段選擇子
段選擇子結構簡單,那我先介紹它。它是一個16位的描述符,指向了定義該段的段描述符(段描述符比較復雜,后面將會完整介紹)。段選擇子結構如下圖所示:
它的成員解釋如下:
- RPL:請求特權級別,通俗的講我用什么權限來請求。
- TI:TI=0時,查GDT表;TI=1時,查LDT表。
- Index:處理器將索引值乘以8在加上GDT或者LDT的基地址,就是要加載的段描述符。
是不是很簡單?該結構一定要牢記於心,后面將給出練習訓練。
段描述符
既然提到段描述符,那我來介紹一下它的結構如下圖所示:
段描述符有很多成員,它的成員將會在下面詳細介紹,學習的時候一定要按照我介紹的順序進行學習:
P位
P = 1段描述符有效,P = 0段描述符無效。
Base
Base被分成了三個部分,從圖可知:Base的低16位被放到了段描述符的低四個字節,高16位被均分到段描述符的高四個字節的頭和尾。把它們依次拼接起來就是完整的Base。
Limit
由圖可知,把段描述符中所有的Limit拼接起來就只有20位。上一節教程說它有32位的Limit。那就是要看G位了。
G位
如果G = 0,說明段描述符中的Limit的單位是字節,段長度Limit范圍可從1B~1MB,即在20位的前面補3個0即可;如果G = 1,說明段描述符中的Limit的單位是字節為4KB,即段長度Limit范圍可從4KB~4GB,在20位的后面補充FFF即可。舉個例子,如果Limit拼接后的為FFFFF,如果G為0則為000FFFFF,反之為FFFFFFF。
S位
S = 1代碼段或者數據段描述符,S = 0系統段描述符。
TYPE域
TYPE域是比較復雜的成員,它表示的含義受G位的影響。
當S位為1時
此時段描述符表示的是代碼段或者數據段,如下圖所示:
對於表格中Type域的屬性和含義,如下表格所示:
| 屬性 | 含義 | 屬性 | 含義 |
|---|---|---|---|
| A | 訪問位 | E | 向下擴展位 |
| R | 可讀位 | W | 可寫位 |
| C | 一致位 |
對於比較特殊的屬性,我們將進一步介紹:
C位
C = 1:一致代碼段;C = 0:非一致代碼段。什么是一致代碼段,什么是非一致代碼段,將在后面的教程進行介紹。
E位
什么是向下拓展位,我們以fs為例來看一下如下示意圖:
左邊表示向上拓展,右邊是向下拓展。即向上拓展base到base+limit之間區域有效,其余無效;向下拓展base到base+limit之間的區域無效,其余有效。這個位針對數據段有效。
當S位為0時
此時段描述符表示的是系統段,系統段有很多種,將會在后面的教程進行詳細講解。Type域每一個數值的含義如下圖所示:
DB位
DB位對不同的段具有不同的影響,情況如下:
1️⃣ 對CS段的影響
D = 1采用32位尋址方式,D = 0采用16位尋址方式。
2️⃣ 對SS段的影響
D = 1隱式堆棧訪問指令(如:PUSH POP CALL)使用32位堆棧指針寄存器ESP,D = 0隱式堆棧訪問指令(如:PUSH POP CALL)使用16位堆棧指針寄存器SP。
3️⃣ 向下拓展的數據段
D = 1段上線為4GB,D = 0段上線為64KB。至於是什么意思,我們來看下面一張圖。
紅色表示向下拓展能尋址的范圍。可以看出,如果D = 0,就算原來能尋址4GB,因為DB位的限制導致最大范圍是64KB。
DPL
DPL(Descriptor Privilege Level),即描述符特權級別,規定了訪問該段所需要的特權級別是什么。如果通俗的理解,就是:如果你想訪問我,那么你應該具備什么權限。
AVL
AVL指示是否可供系統軟件使用,由操作系統來使用,CPU並不使用它。
加載段描述符至段寄存器
除了MOV指令,我們還可以使用LES、LSS、LDS、LFS、LGS指令修改寄存器。CS不能通過上述的指令進行修改,CS為代碼段,CS的改變會導致EIP的改變,要改CS,必須要保證CS與EIP同時改,后面會講解。
給一個代碼模板,具體如下,作為本節的一個作業。
char buffer[6];
//自己構造一個段選擇子
//自己自行賦值,你構造的的段描述符位置不一樣,段選擇子就不一樣
_asm
{
les ecx,fword ptr ds:[buffer] //高2個字節給es,低四個字節給ecx
}
本節練習
本節的答案將會在下一節進行講解,務必把本節練習做完后看下一個講解內容。不要偷懶,實驗是學習本教程的捷徑。
俗話說得好,光說不練假把式,如下是本節相關的練習。如果練習沒做好,就不要看下一節教程了,越到后面,不做練習的話容易夾生了,開始還明白,后來就真的一點都不明白了。本節練習比較多,請保質保量的完成,不得使用任何拆分工具。
如下是從虛擬機讀取的GDT表的前18個段描述符,下面的實驗均按照此進行練習。
8003f000 00000000`00000000 00cf9b00`0000ffff
8003f010 00cf9300`0000ffff 00cffb00`0000ffff
8003f020 00cff300`0000ffff 80008b04`200020ab
8003f030 ffc093df`f0000001 0040f300`00000fff
8003f040 0000f200`0400ffff 00000000`00000000
8003f050 80008955`22000068 80008955`22680068
8003f060 00009302`2f40ffff 0000920b`80003fff
8003f070 ff0092ff`700003ff 80009a40`0000ffff
8003f080 80009240`0000ffff 00009200`00000000
1️⃣ 練習讀取GDT表的位置和長度,並顯示GDT表前48個段描述符。
2️⃣ 在給定的段描述符中,進行拆分練習(至少10個)。
3️⃣ 拆分如下段選擇子。
002B 0023 0010 001B 003B
4️⃣ 快速辨別給定段描述符是否可用以及段基址、段長(至少10個)。
5️⃣ 從給定段描述符,請按照下面的要求進行練習(全部):
- 快速找出所有數據段,並分析該段屬性:只讀、已訪問、可讀可寫、拓展方向
- 快速找出所有代碼段,並分析該段屬性:只執行、可讀可執行、已訪問、一致代碼
- 快速找出所有系統段,並分析屬性
6️⃣ 自行構造段選擇子和段描述符,並用加載段描述符至段寄存器中的代碼模板和要求取得成功。如果有時間同樣把LSS、LDS、LFS、LGS的實驗也類比做了。
7️⃣ 如何在調試器中快速判斷程序在幾環權限。
8️⃣ 自學修改GDT表的相關知識,並思考如下問題。
r gdtr
dq 8003f090 00cffb00`0000ffff
r gdtr
8003f090是GDT表中的一個段描述符的地址,更改后發現並沒有更改,請思考為什么會這樣。
