深入分析微軟新引入的內核虛擬地址影子（KVAS）特性

02-16

前言

目前，針對Meltdown和Spectre，各方仍然在努力修復這兩個漏洞，包括蘋果、甲骨文和微軟在內的大型廠商，已經陸續發布了補丁。英特爾發布的補丁存在一些潛在的問題，可能導致用戶主機的頻繁異常重啟，這些潛在問題從Sandy Bridge架構（2011年）開始就一直存在，直至如今的Kaby Lake（2016年，即第七代酷睿處理器）。

在之前的博客文章（ https://blog.fortinet.com/2018/01/17/into-the-implementation-of-spectre ）中，我們詳細介紹過Spectre漏洞的原理。此外，我們還在另一篇文章（ https://blog.fortinet.com/2018/01/12/dr-strangepatch-or-how-i-learned-to-stop-worrying-about-meltdown-and-spectre-and-love-security-advisory-adv180002 ）中，對微軟安全公告ADV180002所涉及的補丁進行了技術分析。

該補丁主要引入的一個特性就是內核虛擬地址影子（Kernel Virtual Address Shadow，由微軟提出的一個術語，簡稱KVAS），由於該特性僅允許用戶模式代碼訪問有限的內核內存，因此能有效防範Meltdown攻擊。在本文，我們將對內核虛擬地址影子這一特性進行深入分析。

關於Meltdown和Spectre漏洞，請參見： https://spectreattack.com/ 。

蘋果發布的通告及補丁，請參見： https://support.apple.com/en-us/HT208394 。

甲骨文發布的通告及補丁，請參見： http://www.zdnet.com/article/meltdown-spectre-oracles-critical-patch-update-offers-fixes-against-cpu-attacks/ 。

微軟發布的通告及補丁，請參見： http://www.zdnet.com/article/meltdown-spectre-oracles-critical-patch-update-offers-fixes-against-cpu-attacks/ 。

微軟安全公告ADV180002，請參見： https://portal.msrc.microsoft.com/en-US/security-guidance/advisory/ADV180002 。

整體設計

在深入挖掘細節之前，我們有必要先對其有一個整體上的認識。下表由美國互聯網應急中心提供，對Spectre和Meltdown的攻擊方式進行了概括：

根據反病毒測試研究團隊對新發現的119個惡意樣本的分析，證實了Meltdown攻擊實現的難度確實較低（主要是成本非常低），因此在漏洞被爆出的兩周之內，極有可能在實際中被大量利用。所以，微軟首先專註於對Meltdown漏洞的修補，是完全合理的。

我們假定讀者已經對操作系統的概念和原理有基本的了解，包括虛擬內存、x86與x64、MSR、內核模式與用戶模式等。如果你對上述的某些概念不太了解，我們建議你首先查閱《英特爾64和IA-32架構軟體開發人員手冊》（Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer』s Manuals），這是一本權威並且系統的指南，任何新手都可以從這裡起步。

下圖是內核虛擬地址影子特性的總體設計思路：

從概念上看，該特性分為三部分：入口、中間的任意控制流、出口。這裡的關鍵之處在於，通過巧妙的分頁結構，將內核空間與用戶空間分隔開。在用戶空間和內核空間中，只有少量的頁面會被映射。正因如此，即使攻擊者成功實現了Meltdown攻擊，也無法再進一步泄漏內核內存。入口和出口的swap地址空間會來回交換，使得只有內核代碼才有權訪問內核內存空間。這樣的設計還有一個好處，以後就可以僅對分頁結構進行操作，不必再依靠任何硬體級別上提供的額外支持（例如：微代碼更新）來實現。

如下圖所示，NtOpenProcess的代碼區域不可訪問，因為它沒有使用UserDirectoryTableBase進行映射。

詳細分析

在這裡，重點介紹我們對內核虛擬地址影子（KVAS）分析過程中的主要發現。以下是NT內核自身的關鍵細節：

Windows 7 x64系統版本號：6.1.7601.24000

大小：5581544位元組

Sha256：9A6C19B29EBB8D9399C771F2B570E6DCDDF75AC7F2A5F4E8013F4EC7A31F7CA8

我們發現，KVAS在啟動（Boot）過程中就被初始化，會在操作系統初始化過程中被啟用。NT內核的入口點稱為KiSystemStartup，由操作系統載入器（OS Loader）調用。KiSystemStartup依次執行一些基礎的初始化步驟，其中的一個步驟就是調用KilnitializeBootStructures。

KiInitializeBootStructures將會調用KiEnableKvaShadowing。KiEnableKvaShadowing的功能是負責啟用KVAS，並設置KiKvaShadow = 1。

我們還觀察到，基於進程上下文的標識符（即PCID，用於性能優化，以避免刷新整個轉換檢測緩衝區TLB，也就是俗稱的快表）中，全局標誌KiKvaShadowMode將被相應地設置為1或2。如果KiFlushPcid != 0，則該值為1；如果KiFlushPcid == 0，則該值為2。

整個過程的最關鍵環節，是建立並配置好系統調用處理器。

在此之前，首先我們迅速介紹一下用於執行系統調用的機制。當執行SYSCALL指令（例如在ntdll.dll中）時，代碼執行將會切換到內核模式常式，特殊模塊寄存器（Model Specific Register）指向該常式的地址。MSR是一個比較特殊的寄存器，必須通過rdmsr和wrmsr這兩個CPU指令來藉助索引進行訪問。例如，IA32_STAR的索引是C0000081，IA32_LSTAR的索引是C0000082等等。

IA32_STAR（0xC0000081）：Ring 0和Ring 3段基址，以及SYSCALL的EIP。在較低的32位中存儲的是SYSCALL的EIP，在第32-47位存儲內核段基址，在第48-63為存儲用戶段基址。

IA32_CSTAR（0xC0000083）：兼容模式下，SYSCALL的內核RIP相對定址。

IA32_LSTAR（0xC0000082）：長模式（Long Mode，即64位）下，SYSCALL的內核RIP相對定址。

基本上，全局標誌KiKvaShadow中的所有結果都會被檢查。如果對KiKvaShadow的檢查結果為TRUE，就不會使用正常的系統調用處理程序（KiSystemCall32和KiSystemCall64），而是使用影子版本。如果該處理器是AMD的，則會使用AMD專用版本。

當SYSCALL指令被執行時，控制權會立即轉移到系統調用處理器，這也就意味著這些處理器也必須被映射到UserDirectoryTableBase中。

同樣地，中斷服務常式（ISR）也有影子版本：

並且，這些中斷服務常式序必須要容易被讀取：

重點示例：系統調用

為了說明地址空間是如何來回交換的，我們將聚焦於一個重要的示例——系統調用。和以前一樣，我們不對其基礎原理做過多講解，如有需要，大家可以從《英特爾系統編程指南（第三卷）》（Intel』s System Programming Guide (Volume 3)）中進行參考和學習。

KiSystemCall64Shadow如下：

首先，SWAPGS用於將當前GS基址寄存器的值與MSR地址C0000102H（IA32_KERNEL_GS_BASE）中的值進行交換。在最初階段，映射的內核內存非常少（因此非常安全），所以就必須通過GS段來獲取所有重要的信息。從GS:6000h開始，依次包含PML4基址的物理地址（也就是x64系統中的頁目錄）。

GS段中的關鍵參數如下：

位於gs:6018h的標誌將會被檢查，如果需要進行交換（Swap），則PML4基址（對應於內核地址空間）將被移動到CR3之中。移動後，便可以訪問內核棧，一切都進入了正軌。我們注意到，不一定每次都需要進行交換，因為該交換很可能已經進行過（比如，在使用系統調用過程中發生了中斷）。

需要注意的一點時，當新的PML4移動到CR3之後，地址空間會立即切換，並且緊接著的下一個指令會在新的地址空間（內核私有空間）上發生。但由於KiSystemCall64Shadow被映射到相同的虛擬地址，所以一切還都保持著正常工作。

KiSystemCall64AmdShadow：

從這裡可以看出，英特爾版本和AMD版本的系統調用處理器差別非常小：二者最終都調用KiSystemCall64ShadowCommon，並且依次使用KeServiceDescriptorTable（又稱系統服務描述符/調度表，簡稱為SSDT）或KeServiceDescriptorTableShadow（包含win32k.sys中的常式地址）。

系統調用返回如下：

在返回到用戶模式之前，地址空間會通過sysret指令得到保護。

安全分析

我們對內核的入口和出口進行了相同的分析，這裡以中斷服務常式（ISR）為例。

中斷服務常式：

內核出口：

我們可以看到，同樣的設計也適用於ISR。這是一個非常明智的設計，我們可以推斷出其中的安全策略。由於只有入口和出口（以及少量的支持數據）被映射，所以內核能夠抵禦像Meltdown這樣的內核攻擊。

當然，世界上沒有免費的午餐。以前，應用程序對內核進行系統調用或者接收到中斷時，內核頁表總是存在，所以不需要進行TLB刷新、頁表交換等，耗費的資源也比較少。但現在，由於使用了KVAS特性，在系統調用或中斷時（例如：NVM Express SSD等繁重的輸入/輸出），性能可能會有所下降。在雲服務中，這一現象尤為明顯，例如EpicGames的例子：

總結

總體來說，虛擬內核地址影子是一個非常棒的特性。該特性以一種合理的方式，對系統性能進行了權衡。

本分析報告由FortiGuard Lion團隊撰寫。

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