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羽夏看Linux内核——门相关入门知识

羽夏看Linux内核之门相关入门知识,详细介绍与保护模式门相关的知识。 写在前面

  此系列是本人一个字一个字码出来的,包括示例和实验截图。如有好的建议,欢迎反馈。码字不易,如果本篇文章有帮助你的,如有闲钱,可以打赏支持我的创作。如想转载,请把我的转载信息附在文章后面,并声明我的个人信息和本人博客地址即可,但必须事先通知我。

你如果是从中间插过来看的,请仔细阅读 ,方便学习本教程。

练习及参考 为什么20位的寻址可以达到1MB? 🔒 点击查看答案 🔒
2^20 B = 2^10 * 2^10 B = 1 MB
拆分如下的段描述符:
00000000`00000000 00cf9b00`0000ffff
00cf9300`0000ffff 00cffb00`0000ffff
00cff300`0000ffff 80008b04`200020ab
ffc093df`f0000001 0040f300`00000fff
0000f200`0400ffff 00000000`00000000
80008955`22000068 80008955`22680068
00009302`2f40ffff 0000920b`80003fff
ff0092ff`700003ff 80009a40`0000ffff
80009240`0000ffff 00009200`00000000
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本答案仅提供一个样例,其余自行校验:
 对于段描述符 0040f300`00000fff :
  P:1
  S:1
  G:0
  Type:3
  DB:1
  Base:0
  Limit:FFF
  DPL:3
拆分如下段选择子:
002B 0023 0010 001B 003B
🔒 点击查看答案 🔒
002B:
 RPL:3
 TI:0
 Index:5
0023:
 RPL:3
 TI:0
 Index:4
0010:
 RPL:0
 TI:0
 Index:2
001B:
 RPL:3
 TI:0
 Index:3
003B:
 RPL:3
 TI:0
 Index:7
快速辨别问题2给定段描述符是否可用以及段基址、段长(至少10个) 🔒 点击查看答案 🔒
记住代码段间跳转的执行流程。 🔒 点击查看答案 🔒

  本篇文章涉及调用门、中断门、陷阱门这三个重要的“门”,那么“门”到底是什么。打个比方,“门”就类似于你去办理身份证必须要进入派出所的门一样。你想办理身份证就必须通过这个门,如果你进不了门就办理不了。调用门、中断门、陷阱门也是如此,通过它们你可以修改段的属性,甚至能提权去做一些应用层做不了的事情。

调用门

  在将所有的知识之前,先讲一下调用门,因为后面的知识频繁用到了调用门的概念,调用门的结构如下图所示。它和普通的段描述符结构十分相似。低四个字节改为段选择子,如果指向的段描述符的DPL小于CPL,则会提权。高四个字节低5个位是调用调用门需要的参数数目。低四个字节的低16位和高四个字节的高16位拼接为跳转后新的在段中的偏移,也就是调用后EIP的位置。

  它的具体细节将会在长调用讲完后继续讲解。

长调用

  介绍长调用,我先来讲一下什么是短调用。短调用就是我们在汇编常见的CALL指令,调用格式为:CALL 立即数/寄存器/内存。为什么是短调用,我们来看一下执行该指令时堆栈的变化:

  调用CALL指令之后,CPU只将当前的EIP压入堆栈后跳转到目标地址,发生改变的寄存器只有ESP和EIP,即所谓的短调用。   长调用分为两种,一种提权,一种不提权,调用格式为:指令格式:CALL CS:EIP,其中EIP是废弃的,CS为指向调用门的段选择子。但是值得注意的是CS一旦更换,它的EIP和SS要同时更换。为什么EIP需要更换我就不说了。在代码执行的时候,一定会用到堆栈,堆栈的段权限必须与CS匹配,这就是为什么SS必须更换。我们接下来看看长调用到底是何方神圣。

长调用不提权

  当段选择子指向的调用门不提权时。发生改变的寄存器有ESP、EIP和CS,比短调用多一个CS。执行情况如下图所示:

长调用提权

  当段选择子指向的调用门不提权时。发生改变的寄存器有ESP、EIP、CS和SS。执行情况如下图所示:

  心细的你获取发现,SS并没有压入堆栈之中,还有ESP0也没用通过已知方式获取得到。它从哪里来呢?下一节教程将会讲解。

调用门(续)

  本篇开头简单介绍了调用门,接下来将会详细介绍它的调用流程。先把上面的调用门结构图贴到下面,以供方便学习:

  调用门执行流程如下所示:

指令格式:CALL CS:EIP (EIP是废弃的)

执行步骤(具体详情请看长调用):

根据CS的值查GDT表,找到对应的段描述符且该描述符是一个调用门。 在调用门描述符中存储另一个代码段的段选择子,将其加载到CS中。 选择子指向的段的Base + 偏移地址就是真正要执行的地址。

  当然段选择子加载段描述符的过程都会有权限检查,不懂的话请不要再继续了,回去查看上一篇复习,懂了再回来学习。

中断门

  讲中断门之前,我先来介绍一个新的表,称之为IDT表。IDT表与GDT表不同,它的第一个元素不是NULL。IDT表包含3种门描述符:任务门描述符、中断门描述符、陷阱门描述符,这里面的几种类型都会在后面讲到。中断门的结构如下图所示(图中的D表示是否为32位,如果是则为1):

  IDT也是由一系列描述符组成的,每个描述符占8个字节。Windows没有使用调用门,但是使用了中断门用于系统调用和调试用途。在WinDbg下可用r idtr读取IDT表的首地址,r idtl读取IDT表的大小。   中断门的结构和调用门结构几乎一样,只是调用门用来写参数数目的位被清空不再使用和Type域不一样而已。   既然中断门的结构知道了,我们来看一下中断门的执行流程:

指令格式:INT N (N为中断门索引号)

执行步骤:

在没有权限切换时,会向堆栈顺次压入EFLAG、CS和EIP;如果有权限切换,会向堆栈顺次压入SS、ESP、EFLAG、CS和EIP。 CPU会索引到IDT表。后面的N表示查IDT表项的下标。对比调用门,中断门没有了RPL,故CPU只会校验CPL。 在中断门中,不能通过RETF返回,而应该通过IRET/IRETD指令返回。 陷阱门

  陷阱门的结构和中断门结构几乎一样,只是Type域不同而已,如下图所示(图中的D表示是否为32位,如果是则为1):

  陷阱门执行流程一模一样。与中断门的区别,中断门执行时,将IF位清零,但陷阱门不会。

本篇小结 CS的权限一旦改变,SS的权限也要随着改变,CS与SS的等级必须一样。 JMP FAR只能跳转到同级非一致代码段,但CALL FAR可以通过调用门提权,提升CPL的权限。 调用门总结: 当通过门,权限不变的时候,只会PUSH两个值:CS和返回地址,新的CS的值由调用门决定。 当通过门,权限改变的时候,会PUSH四个值:SS、ESP、CS和返回地址,新的CS的值由调用门决定,新的SS和ESP由TSS提供。 通过门调用时,要执行哪行代码由调用门决定,但使用RETF返回时,由堆栈中压入的值决定,这就是说,进门时只能按指定路线走,出门时可以FQ,即只要改变堆栈里面的值就可以想去哪去哪。 可不可以再建个门出去呢?当然可以了。前门进,后门出。 任务段 什么是任务段

  我们回顾一下之前所学内容,在调用门、中断门与陷阱门中,一旦出现权限切换,那么就会有堆栈的切换。而且,由于CS的CPL发生改变,也导致了SS也必须要切换。切换时,会有新的ESP和SS从哪里来的呢?那就是任务状态段提供的。任务状态段简称任务段,英文缩写为TSS,Task-state segment。

  TSS是一块内存,大小为104字节,内存结构如下图所示:

TSS 的作用

  Intel的设计TSS目的,用官方的话说就是实现所谓的任务切换。CPU的任务在操作系统的方面就是线程。任务一切换,执行需要的环境就变了,即所有寄存器里面的值,需要保存供下一次切换到该任务的时候再换回去重新执行。   说到底,TSS的意义就在于可以同时换掉一堆寄存器。本质上和所谓的任务切换没啥根本联系。而操作系统嫌弃Intel的设计过于麻烦,自己实现了所谓的任务切换,即线程切换。具体将会在后面的教程进行讲解。

CPU 如何找到 TSS

  TSS是一个内存块,并不在CPU中,那么它是怎样找到正确的TSS呢?那就是之前提到的TR段寄存器。CPU通过TR寄存器索引TSS是示意图如下图所示:

TSS段描述符

  TSS段描述符的结构和普通的段描述符没啥区别,就不详细介绍了,如下图所示:

TR寄存器读写 加载TSS 指令:LTR 说明:用LTR指令去装载,仅仅是改变TR寄存器的值(96位),并没有真正改变TSS。LTR指令只能在系统层使用,加载后TSS段描述符会状态位会发生改变。 读取TR寄存器 指令:STR 说明:如果用STR去读的话,只读了TR的16位,即选择子。 修改TR寄存器途径 在0环可以通过LTR指令去修改TR寄存器。 在3环可以通过CALL FAR或者JMP FAR指令来修改。用JMP去访问一个任务段的时候,如果是TSS段描述符,先修改TR寄存器,在用TR.Base指向的TSS中的值修改当前的寄存器。 CALL 和 JMP 实现任务切换的不同之处

  用CALL和JMP实现任务切换,它们之间有什么不同呢?答案就不用说了。如果用CALL,它会把Previous Task Link填写数值,并EFLAGS寄存器的NT位改为1。如果这个位被改为1,iret指令会被当做任务返回,从TSS里的取出Previous Task Link返回;反之则为正常的中断返回,从堆栈读值返回。而JMP指令不会做上述事情。

任务门

  任务门的结构如下图所示:

  任务门的结构我就不想再赘述了,来看看它的执行过程:

通过INT N的指令进行触发任务门 查IDT表,找到任务门描述符 通过任务门描述符,查GDT表,找到TSS段描述符 使用TSS段中的值修改TR寄存器 IRETD返回 练习与思考

本节的答案将会在下一节进行讲解,务必把本节练习做完后看下一个讲解内容。不要偷懒,实验是学习本教程的捷径。

  俗话说得好,光说不练假把式,如下是本节相关的练习。如果练习没做好,就不要看下一节教程了,越到后面,不做练习的话容易夹生了,开始还明白,后来就真的一点都不明白了。本节练习只是概念性的,就不单独给出参考了。

熟练掌握门提权/非提权的堆栈变化过程。 下一篇

  羽夏看Linux内核——中断相关入门知识