四级分页下的页表自映射与基址随机化原理介绍

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。）

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kd> r idtr idtr = fffff8037888e000 kd> dq fffff8037888e000 fffff803` 7888e000  761e8e00 ` 00107e00 00000000 `fffff803 fffff803` 7888e010  761e8e04 ` 00108140 00000000 `fffff803 fffff803` 7888e020  761e8e03 ` 00108600 00000000 `fffff803 fffff803` 7888e030  761eee00 ` 00108ac0 00000000 `fffff803 fffff803` 7888e040  761eee00 ` 00108e00 00000000 `fffff803 fffff803` 7888e050  761e8e00 ` 00109140 00000000 `fffff803 fffff803` 7888e060  761e8e00 ` 00109680 00000000 `fffff803 fffff803` 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）

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fffff803` 7888e000 - > f803` 7888e000   1 1111 0000            0x1f0          PML4I 0 0000 1101            0xd            PDPTI 1 1100 0100            0x1c4          PTI 0 1000 1110            0x8e           PDI 000000000000           0x0            Offset

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

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kd> r cr3 cr3 = 0000000052c76000 kd> !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

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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

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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

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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

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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）

1	![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：

1	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）

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/ / 起始地址 0x8000 ` 00000000        1 0000 0000                0x100 0 0000 0000                0x0 0 0000 0000                0x0 0 0000 0000                0x0 0000 0000 0000             0x0   / / 结束地址 0x807F `FFFFF000 1 0000 0000                0x100 1 1111 1111                0x1FF 1 1111 1111                0x1FF 1 1111 1111                0x1FF 0000 0000 0000             0x0

常规查询流程：

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/ / 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：

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/ / 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：

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![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：

1 2 3 4

![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：

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0xFB7DBEDF6000 1 1111 0110            0x1F6        PML4 1 1111 0110            0x1F6        PDPT 1 1111 0110            0x1F6        PD 1 1111 0110            0x1F6        PT 000000000000           0x0   Index为： 0x1F6

系统重启后的PML4基址：

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0x8D46A351A000 1 0001 1010            0x11A 1 0001 1010            0x11A 1 0001 1010            0x11A 1 0001 1010            0x11A 000000000000           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：

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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。

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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。

四、参考文档

五、结语

有错误欢迎指出，一起交流进步。