在用户态进行虚拟空间地址向物理空间地址的转换

来源：互联网发布：乐视mac版下载编辑：程序博客网时间：2024/05/21 09:30

在《自动获取 NT 系统服务描述表与函数名映射表》一文中，我给出了一个从虚地址向物理地址转换的经验函数。

以下为引用：

PHYSICAL_ADDRESS TPhysicalMemoryMapping::LinearAddressToPhysicalAddress(LPCVOID lpVirtualAddress)
{
   PHYSICAL_ADDRESS addr = { 0, 0 };
   if((DWORD)lpVirtualAddress < 0x80000000L || (DWORD)lpVirtualAddress >= 0xA0000000L)
     addr.QuadPart = (DWORD)lpVirtualAddress & 0x0FFFF000;
   else
     addr.QuadPart = (DWORD)lpVirtualAddress & 0x1FFFF000;
   return addr;
}

     这个函数实际上只处理了0x8000000 - 0xA0000000这段内存地址的转换，而对0xA0000000以上内存，则只是用 PA = VA & 0x0FFFF000 保障访问不会出错，这实际上并不能获取这段内存的实际内容。了解 WinNT/2K 内存布局的朋友应该知道，为了系统实现简便并保障地址转换效率，WinNT将0x80000000 - 0xA0000000内存端直接映射到物理内存，转换算法就是一个简单的 PA = VA & 0x1FFFF000；而对 0xA0000000 以上的虚拟地址，则是使用两级页表索引来实现虚地址页向物理地址页的映射（如启用 AWE 则为三级，这里暂不讨论，实现原理类似）。因此要真正访问 0xA0000000 以上虚地址内存，必须读取进程的 PDE/PTE 表。
     但问题是PDE页表一般存放在虚地址 0xC0300000，PTE 页表则从虚地址 0xC0000000 开始。也就是说这些页表本身，就存放在以页表才能访问的虚地址上。要查PDE/PTE表进行虚地址向物理地址转换，首先要知道 0xC0300000 和 0xC0000000 映射在哪个物理页上。这样一来就变成了先有鸡还是先有蛋的问题了，呵呵。 NT 内核本身，则可以通过进程 CR3 寄存器中保存的 PDE 页表起始物理地址直接访问，但不巧的是，访问 CR3 需要有 Ring 0 的状态。因此大多数介绍虚地址向物理地址转换的文章，在描述完两级映射之后，都是提供 Ring 0 层的代码演示实现，例如 webcrazy 的大作《小议Windows NT/2000分页机制》。
     因为此类的文章较多了，这里我就不在罗嗦内存结构和转换算法了，有兴趣研究的朋友可以参考 Inside Win2K 3nd 和 webcrazy 的相关文章。

既然无法知道 PDE/PTE 的物理地址，也不能直接访问 CR3，我就开始琢磨各种迂回的途径。昨天折腾了大半天，翻越了 ntoske 和 ntosmm 目录下的一堆源码，在大大体验了一把 Open Source Windows NT 的优势之后，终于找到了一个还算完美的解决方法 :P

     我们知道 PDE/PTE 是进程相关的。因为每个进程都有自己的虚拟空间，因此必须有一整套独立的页表备查。核心在进行线程切换时，如果两个线程在一个进程内，无需做页表的切换；如果两个线程跨越了进程，就必须将目标线程所在进程的Context载入，这其中就包括我们所需要的 CR3 的内容。而在翻越代码后，我发现 CR3 的内容被保存到 EPROCESS::KPROCESS::DirectoryTableBase[0] 中。这个变量保存了 PDE 页表物理地址和 hyber space PTE 页表物理地址（以后再详细介绍）。
     于是实现思路就清晰了：
     1.取当前进程的 EPROCESS
     2.读取 PDE 页表物理地址
     3.通过分解虚地址获取 PDE/PTE 表的索引
     4.查表获得目标物理页地址，读取物理页内容。

1.取当前进程的 EPROCESS

当前进程的 EPROCESS 地址在 ntoskrnl.exe 的空间中，因此可以通过直接映射内存访问。使用OpenProcess打开当前进程，获得句柄；使用NTDLL::ZwQuerySystemInformation函数获取所有核心句柄表，线性搜索到进程句柄，其指向的内核对象就是 EPROCESS。

2.读取 PDE 页表物理地址

PDE 页表物理地址在 EPROCESS 结构的偏移 0x18 处

3.通过分解虚地址获取 PDE/PTE 表的索引

将目标虚地址如 0xA01A8148 分解为三部分：

DDDDDDDDDDTTTTTTTTTTBBBBBBBBBBBB
01234567890123456789012345678901

高10位是PDE索引；中间10位是PTE索引；末尾12位是页内字节索引。

4.查表获得目标物理页地址，读取物理页内容。

PDE/PTE表项都是一个DWORD，其高20位定义下一级的索引。

以下为引用：

typedef struct _MMPTE_HARDWARE {
     ULONG Valid : 1;
     ULONG Write : 1;  // UP version
     ULONG Owner : 1;
     ULONG WriteThrough : 1;
     ULONG CacheDisable : 1;
     ULONG Accessed : 1;
     ULONG Dirty : 1;
     ULONG LargePage : 1;
     ULONG Global : 1;
     ULONG CopyOnWrite : 1; // software field
     ULONG Prototype : 1;   // software field
     ULONG reserved : 1;  // software field
     ULONG PageFrameNumber : 20;
} MMPTE_HARDWARE, *PMMPTE_HARDWARE;

具体查表转换算法如下

以下为引用：

#define GetPdeAddress(base, va) (LPCVOID)((base) + (((ULONG)(va) >> 22) << 2))
#define GetPteAddress(base, va) (LPCVOID)((base) + ((((ULONG)(va) >> 12) & 0x3FF) << 2))
const PHYSICAL_ADDRESS TPhysicalMemoryMapping::LinearAddressToPhysicalAddress(LPCVOID lpVirtualAddress)
{
   PHYSICAL_ADDRESS addr = { 0, 0 };
   if((DWORD)lpVirtualAddress >= 0x80000000L && (DWORD)lpVirtualAddress < 0xA0000000L)
   {
     addr.QuadPart = (DWORD)lpVirtualAddress & 0x1FFFF000;
   }
   else
   {
     MMPTE_HARDWARE PDE, PTE;
     m_pManager->ReadPhysicalMemoryPage(GetPdeAddress(m_pManager->PTE.LowPart, lpVirtualAddress), &PDE, sizeof(PDE));
     m_pManager->ReadPhysicalMemoryPage(GetPteAddress(PDE.PageFrameNumber << PAGE_SHIFT, lpVirtualAddress), &PTE, sizeof(PTE));
     addr.LowPart = (PTE.PageFrameNumber << PAGE_SHIFT) + BYTE_OFFSET(lpVirtualAddress);
   }
   return addr;
}

知道了目标页面的物理地址，就可以通过读取 DevicePhysicalMemory 直接获取了。