21 特权级与内核安全示例

参考

https://blog.51cto.com/13475106/category6.html及狄泰软件相关课程

 

Q：通常情况下选择子中的RPL与对应描述符中的DPL相同，那么是否可以取缔RPL？
RPL是保证内核数据安全的关键要素之一；在内核代码中有决定性作用，绝对不能取缔

A.获取操作系统的内核

该实验主要通过调用门调用将内核数据进行打印

具体的实现代码如下

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306

%include "inc.asm"   org 0x9000   jmp ENTRY_SEGMENT   [section .gdt] ; GDT definition ;                                      段基址，       段界限，             段属性 GDT_ENTRY            :     Descriptor    0,            0,                0 CODE32_DESC          :     Descriptor    0,    Code32SegLen - 1,         DA_C + DA_32 + DA_DPL3 VIDEO_DESC           :     Descriptor 0xB8000,     0x07FFF,              DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3 DATA32_KERNEL_DESC   :     Descriptor    0,    Data32KernelSegLen - 1,   DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0  DATA32_USER_DESC     :     Descriptor    0,    Data32UserSegLen - 1,     DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3  STACK32_KERNEL_DESC  :     Descriptor    0,     TopOfKernelStack32,      DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0 STACK32_USER_DESC    :     Descriptor    0,     TopOfUserStack32,        DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3 TSS_DESC             :     Descriptor    0,       TSSLen - 1,            DA_386TSS + DA_DPL0 FUNCTION_DESC        :     Descriptor    0,   FunctionSegLen - 1,        DA_C + DA_32 + DA_DPL0;内核函数段 ; Call Gate ;                                                  选择子,                 偏移,          参数个数,      属性 FUNC_GETKERNELDATA_DESC :    Gate             FunctionSelector,       GetKernelData,       0,         DA_386CGate + DA_DPL3 ; GDT end   GdtLen    equ   $ - GDT_ENTRY   GdtPtr:           dw   GdtLen - 1           dd   0   ; GDT Selector Code32Selector         equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 VideoSelector          equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 KernelData32Selector   equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 UserData32Selector     equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 KernelStack32Selector  equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 UserStack32Selector    equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 TSSSelector            equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 FunctionSelector       equ (0x0008 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; Gate Selector GetKernelDataSelector  equ (0x0009 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 ; end of [section .gdt]   TopOfStack16    equ 0x7c00   [section .s16] [bits 16] ENTRY_SEGMENT:     mov ax, cs     mov ds, ax     mov es, ax     mov ss, ax     mov sp, TopOfStack16       ; initialize GDT for 32 bits code segment     mov esi, CODE32_SEGMENT     mov edi, CODE32_DESC       call InitDescItem       mov esi, DATA32_KERNEL_SEGMENT     mov edi, DATA32_KERNEL_DESC       call InitDescItem       mov esi, DATA32_USER_SEGMENT     mov edi, DATA32_USER_DESC       call InitDescItem       mov esi, STACK32_KERNEL_SEGMENT     mov edi, STACK32_KERNEL_DESC       call InitDescItem       mov esi, STACK32_USER_SEGMENT     mov edi, STACK32_USER_DESC       call InitDescItem       mov esi, FUNCTION_SEGMENT     mov edi, FUNCTION_DESC       call InitDescItem       mov esi, TSS_SEGMENT     mov edi, TSS_DESC       call InitDescItem       ; initialize GDT pointer struct     mov eax, 0     mov ax, ds     shl eax, 4     add eax, GDT_ENTRY     mov dword [GdtPtr + 2], eax       ; 1. load GDT     lgdt [GdtPtr]       ; 2. close interrupt     cli       ; 3. open A20     in al, 0x92     or al, 00000010b     out 0x92, al       ; 4. enter protect mode     mov eax, cr0     or eax, 0x01     mov cr0, eax       ; 5. load TSS     mov ax, TSSSelector     ltr ax       ; 6. jump to 32 bits code     ;jmp word Code32Selector : 0     push UserStack32Selector     push TopOfUserStack32     push Code32Selector        push 0                     retf   ; esi    --> code segment label ; edi    --> descriptor label InitDescItem:     push eax       mov eax, 0     mov ax, cs     shl eax, 4     add eax, esi     mov word [edi + 2], ax     shr eax, 16     mov byte [edi + 4], al     mov byte [edi + 7], ah       pop eax       ret   [section .kdat] [bits 32] DATA32_KERNEL_SEGMENT:     KDAT               db  "Kernel Data", 0     KDAT_LEN           equ $ - KDAT     KDAT_OFFSET        equ KDAT - $$   Data32KernelSegLen equ $ - DATA32_KERNEL_SEGMENT   [section .udat] [bits 32] DATA32_USER_SEGMENT:     UDAT               times 16 db 0     UDAT_LEN           equ $ - UDAT     UDAT_OFFSET        equ UDAT - $$   Data32UserSegLen equ $ - DATA32_USER_SEGMENT   [section .tss] [bits 32] TSS_SEGMENT:         dd    0         dd    TopOfKernelStack32      ; 0         dd    KernelStack32Selector   ;         dd    0                       ; 1         dd    0                       ;         dd    0                       ; 2         dd    0                       ;         times 4 * 18 dd 0         dw    0         dw    $ - TSS_SEGMENT + 2         db    0xFF   TSSLen    equ    $ - TSS_SEGMENT   [section .s32] [bits 32] CODE32_SEGMENT:     mov ax, VideoSelector     mov gs, ax       mov ax, UserData32Selector     mov es, ax       mov di, UDAT_OFFSET       call GetKernelDataSelector : 0       mov ax, UserData32Selector   ; eip ==> 0x17     mov ds, ax       mov ebp, UDAT_OFFSET     mov bx, 0x0C     mov dh, 12     mov dl, 33       call PrintString       jmp $   ; ds:ebp    --> string address ; bx        --> attribute ; dx        --> dh : row, dl : col PrintString:     push ebp     push eax     push edi     push cx     push dx   print:     mov cl, [ds:ebp]     cmp cl, 0     je end     mov eax, 80     mul dh     add al, dl     shl eax, 1     mov edi, eax     mov ah, bl     mov al, cl     mov [gs:edi], ax     inc ebp     inc dl     jmp print   end:     pop dx     pop cx     pop edi     pop eax     pop ebp       ret   Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT   [section .func] [bits 32] FUNCTION_SEGMENT:   ; es:di --> data buffer GetKernelDataFunc:      mov ax, KernelData32Selector     mov ds, ax       mov si, KDAT_OFFSET       mov cx, KDAT_LEN       call KMemCpy       retf   ; ds:si --> source ; es:di --> destination ; cx    --> length KMemCpy:     cmp si, di     ja btoe     add si, cx     add di, cx     dec si     dec di     jmp etob btoe:     cmp cx, 0     jz done     mov al, [ds:si]     mov byte [es:di], al     inc si     inc di     dec cx     jmp btoe etob:     cmp cx, 0     jz done     mov al, [ds:si]     mov byte [es:di], al     dec si     dec di     dec cx     jmp etob done:       ret     GetKernelData    equ   GetKernelDataFunc - $$ FunctionSegLen    equ   $ - FUNCTION_SEGMENT   [section .kgs] [bits 32] STACK32_KERNEL_SEGMENT:     times 256 db 0   Stack32KernelSegLen equ $ - STACK32_KERNEL_SEGMENT TopOfKernelStack32  equ Stack32KernelSegLen - 1   [section .ugs] [bits 32] STACK32_USER_SEGMENT:     times 256 db 0c   Stack32UserSegLen equ $ - STACK32_USER_SEGMENT TopOfUserStack32  equ Stack32UserSegLen - 1

实现结果

从结果中可以看到内核数据被用户进行了拷贝，导致内核数据不安全

B.对上述出现的错误进行改进

初步的解决方法-提出一个检查函数
1.获取段寄存器中RPL的值
2.判断RPL的值是否为SA_RPL0；true则为检查通过，可以继续访问数据，如果为false,特权级较低，出发异常
具体实现是在[section .func] [bits 32]中定义一个检查函数，并在拷贝之前将其进行调用，对RPL的值进行判断
代码如下：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

[section .func] [bits 32] FUNCTION_SEGMENT:   ; es:di --> data buffer GetKernelDataFunc:      mov cx, [esp + 4]     and cx, 0x0003     mov ax, es     and ax, 0xFFFC     or  ax, cx     mov es, ax       mov ax, KernelData32Selector     mov ds, ax       mov si, KDAT_OFFSET       mov cx, KDAT_LEN       call KMemCpy       retf   ; ds:si --> source ; es:di --> destination ; cx    --> length KMemCpy:     mov ax, es       call CheckRPL;进行调用       cmp si, di     ja btoe     add si, cx     add di, cx     dec si     dec di     jmp etob btoe:     cmp cx, 0     jz done     mov al, [ds:si]     mov byte [es:di], al     inc si     inc di     dec cx     jmp btoe etob:     cmp cx, 0     jz done     mov al, [ds:si]     mov byte [es:di], al     dec si     dec di     dec cx     jmp etob done:       ret     ; ax --> selector value ;检查函数 CheckRPL:     and ax, 0x0003;进行与操作     cmp ax, SA_RPL0;进行比较操作     jz valid;进行判断跳转       mov ax, 0     mov fs, ax     mov byte [fs:0], 0;触发异常

代码运行结果

从运行结果可以看出，代码没有对内核数据进行拷贝，同时检查函数起到作用， 对RPL的值进行判断，并触发异常进行打印。但是对用户的选择子RPL的值进行修改伪造，将其改为0，又可以将内核数据进行拷贝。

C.用户程序可以通过伪造的选择子中的RPL的值，从而绕开安全检查的机制，在这里需要提出新的解决方案

1.在栈中获取函数远调用前CS寄存器的值(请求者)
2.从之前CS寄存器的值获取RPL
3.用RPL更新到数据缓冲区对应的段寄存器中
4.实验检查函数CheckRPL对段寄存器进行安全检查

代码：

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330

%include "inc.asm"   org 0x9000   jmp ENTRY_SEGMENT   [section .gdt] ; GDT definition ;                                      段基址，       段界限，             段属性 GDT_ENTRY            :     Descriptor    0,            0,                0 CODE32_DESC          :     Descriptor    0,    Code32SegLen - 1,         DA_C + DA_32 + DA_DPL3 VIDEO_DESC           :     Descriptor 0xB8000,     0x07FFF,              DA_DRWA + DA_32 + DA_DPL3 DATA32_KERNEL_DESC   :     Descriptor    0,    Data32KernelSegLen - 1,   DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0  DATA32_USER_DESC     :     Descriptor    0,    Data32UserSegLen - 1,     DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3  STACK32_KERNEL_DESC  :     Descriptor    0,     TopOfKernelStack32,      DA_DRW + DA_32 + DA_DPL0 STACK32_USER_DESC    :     Descriptor    0,     TopOfUserStack32,        DA_DRW + DA_32 + DA_DPL3 TSS_DESC             :     Descriptor    0,       TSSLen - 1,            DA_386TSS + DA_DPL0 FUNCTION_DESC        :     Descriptor    0,   FunctionSegLen - 1,        DA_C + DA_32 + DA_DPL0;内核函数段 ; Call Gate ;                                                  选择子,                 偏移,          参数个数,      属性 FUNC_GETKERNELDATA_DESC :    Gate             FunctionSelector,       GetKernelData,       0,         DA_386CGate + DA_DPL3 ; GDT end   GdtLen    equ   $ - GDT_ENTRY   GdtPtr:           dw   GdtLen - 1           dd   0   ; GDT Selector Code32Selector         equ (0x0001 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 VideoSelector          equ (0x0002 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 KernelData32Selector   equ (0x0003 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 UserData32Selector     equ (0x0004 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 KernelStack32Selector  equ (0x0005 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 UserStack32Selector    equ (0x0006 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 TSSSelector            equ (0x0007 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 FunctionSelector       equ (0x0008 << 3) + SA_TIG + SA_RPL0 ; Gate Selector GetKernelDataSelector  equ (0x0009 << 3) + SA_TIG + SA_RPL3 ; end of [section .gdt]   TopOfStack16    equ 0x7c00   [section .s16] [bits 16] ENTRY_SEGMENT:     mov ax, cs     mov ds, ax     mov es, ax     mov ss, ax     mov sp, TopOfStack16       ; initialize GDT for 32 bits code segment     mov esi, CODE32_SEGMENT     mov edi, CODE32_DESC       call InitDescItem       mov esi, DATA32_KERNEL_SEGMENT     mov edi, DATA32_KERNEL_DESC       call InitDescItem       mov esi, DATA32_USER_SEGMENT     mov edi, DATA32_USER_DESC       call InitDescItem       mov esi, STACK32_KERNEL_SEGMENT     mov edi, STACK32_KERNEL_DESC       call InitDescItem       mov esi, STACK32_USER_SEGMENT     mov edi, STACK32_USER_DESC       call InitDescItem       mov esi, FUNCTION_SEGMENT     mov edi, FUNCTION_DESC       call InitDescItem       mov esi, TSS_SEGMENT     mov edi, TSS_DESC       call InitDescItem       ; initialize GDT pointer struct     mov eax, 0     mov ax, ds     shl eax, 4     add eax, GDT_ENTRY     mov dword [GdtPtr + 2], eax       ; 1. load GDT     lgdt [GdtPtr]       ; 2. close interrupt     cli       ; 3. open A20     in al, 0x92     or al, 00000010b     out 0x92, al       ; 4. enter protect mode     mov eax, cr0     or eax, 0x01     mov cr0, eax       ; 5. load TSS     mov ax, TSSSelector     ltr ax       ; 6. jump to 32 bits code     ;jmp word Code32Selector : 0     push UserStack32Selector     push TopOfUserStack32     push Code32Selector        push 0                     retf   ; esi    --> code segment label ; edi    --> descriptor label InitDescItem:     push eax       mov eax, 0     mov ax, cs     shl eax, 4     add eax, esi     mov word [edi + 2], ax     shr eax, 16     mov byte [edi + 4], al     mov byte [edi + 7], ah       pop eax       ret   [section .kdat] [bits 32] DATA32_KERNEL_SEGMENT:     KDAT               db  "Kernel Data", 0     KDAT_LEN           equ $ - KDAT     KDAT_OFFSET        equ KDAT - $$   Data32KernelSegLen equ $ - DATA32_KERNEL_SEGMENT   [section .udat] [bits 32] DATA32_USER_SEGMENT:     UDAT               times 16 db 0     UDAT_LEN           equ $ - UDAT     UDAT_OFFSET        equ UDAT - $$   Data32UserSegLen equ $ - DATA32_USER_SEGMENT   [section .tss] [bits 32] TSS_SEGMENT:         dd    0         dd    TopOfKernelStack32      ; 0         dd    KernelStack32Selector   ;         dd    0                       ; 1         dd    0                       ;         dd    0                       ; 2         dd    0                       ;         times 4 * 18 dd 0         dw    0         dw    $ - TSS_SEGMENT + 2         db    0xFF   TSSLen    equ    $ - TSS_SEGMENT   [section .s32] [bits 32] CODE32_SEGMENT:     mov ax, VideoSelector     mov gs, ax       mov ax, UserData32Selector     mov es, ax       mov di, UDAT_OFFSET       call GetKernelDataSelector : 0       mov ax, UserData32Selector   ; eip ==> 0x17     mov ds, ax       mov ebp, UDAT_OFFSET     mov bx, 0x0C     mov dh, 12     mov dl, 33       call PrintString       jmp $   ; ds:ebp    --> string address ; bx        --> attribute ; dx        --> dh : row, dl : col PrintString:     push ebp     push eax     push edi     push cx     push dx   print:     mov cl, [ds:ebp]     cmp cl, 0     je end     mov eax, 80     mul dh     add al, dl     shl eax, 1     mov edi, eax     mov ah, bl     mov al, cl     mov [gs:edi], ax     inc ebp     inc dl     jmp print   end:     pop dx     pop cx     pop edi     pop eax     pop ebp       ret   Code32SegLen    equ    $ - CODE32_SEGMENT   [section .func] [bits 32] FUNCTION_SEGMENT:   ; es:di --> data buffer GetKernelDataFunc:      mov cx, [esp + 4]     and cx, 0x0003     mov ax, es     and ax, 0xFFFC     or  ax, cx     mov es, ax       mov ax, KernelData32Selector     mov ds, ax       mov si, KDAT_OFFSET       mov cx, KDAT_LEN       call KMemCpy       retf   ; ds:si --> source ; es:di --> destination ; cx    --> length KMemCpy:     mov ax, es       call CheckRPL;进行调用       cmp si, di     ja btoe     add si, cx     add di, cx     dec si     dec di     jmp etob btoe:     cmp cx, 0     jz done     mov al, [ds:si]     mov byte [es:di], al     inc si     inc di     dec cx     jmp btoe etob:     cmp cx, 0     jz done     mov al, [ds:si]     mov byte [es:di], al     dec si     dec di     dec cx     jmp etob done:       ret     ; ax --> selector value ;检查函数 CheckRPL:     and ax, 0x0003;进行与操作     cmp ax, SA_RPL0;进行比较操作     jz valid;进行判断跳转       mov ax, 0     mov fs, ax     mov byte [fs:0], 0;触发异常   valid:     ret    GetKernelData    equ   GetKernelDataFunc - $$ FunctionSegLen    equ   $ - FUNCTION_SEGMENT   [section .kgs] [bits 32] STACK32_KERNEL_SEGMENT:     times 256 db 0   Stack32KernelSegLen equ $ - STACK32_KERNEL_SEGMENT TopOfKernelStack32  equ Stack32KernelSegLen - 1   [section .ugs] [bits 32] STACK32_USER_SEGMENT:     times 256 db 0   Stack32UserSegLen equ $ - STACK32_USER_SEGMENT TopOfUserStack32  equ Stack32UserSegLen - 1

首先通过反编译在call GetKernelDataSelector : 0跳转处设置断点，接下来对通用寄存器eip寄存器进行查看，由92a8到92af之间的差值为7，可以推断mov ax, UserData32Selector ; eip ==> 0x17，该处是返回地址。同时0x17会入栈，cs也会入栈，对寄存器进行查看，此时cs寄存器为0x0b，接下来对栈顶的6个字节进行查看，发现0x17与cs寄存器都入栈，再继续操作，触发异常，过程如图所示

小结

1.RPL是保证内核数据安全的关键要素之一
2.内核代码可通过追踪真实请求者特权级判断操作合法性
3.进行函数远调用时，真实请求者的选择子就会存储于栈中
4.通过提取真实特权级能够保证内核数据安全