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windows下分页机制浅谈

引子：
 一直在研究恶意代码方向与逆向软件方向，面试聊了windows内核与保护模式相关知识，有很多没有回答上来，确实研究过相关资料，但是没有深入研究，加上长时间没有复习，有些遗忘了
 基本功不扎实，毕竟好久没写过驱动编程与复习内核/保护模式相关的知识，所以静下心来复习一下吧。
 
4GB的虚拟内存结构：

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虚拟内存地址范围描述
0x00000000~0x0000FFFF 64kb大小的空指针区域，当然就不可以访问了
0x00001000~0x7FFFFFFF 加上上述的空指针区域，低2GB的用户态空间
0x80000000~0xFFFFFFFF 高2GB的内核态空间

更多的详细划分请参考这篇博客：https://blog.csdn.net/wang010366/article/details/52730052

 
一个进程地址如何映射到物理地址的？
windows下分页机制浅谈
                   图片一：映射关系
 上述图片只是片面的阐释，一个虚拟内存地址通过页表转换，映射到物理内存地址，多个进程其实都是通过这种机制映射到物理内存。
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                   图片二：地址映射过程

 图片二是虚拟地址映射，注意：缺少了分页的层级，页表中每一项都是一个分页。映射的物理地址过程如何实现的？先介绍Cr0系列的控制寄存器，面试的时候忘的一干二净，那就在学一遍：

寄存器名称描述
CR0 包含处理器标志控制位，如PE,PG,WP等
CR1 保留
CR2 专门用于保存缺页异常时的线性地址
CR3 保存进程页目录地址
CR4 扩展功能（如判断物理地址扩展模式等），Pentium系列(包括486的后期版本)处理器中才实现

 windows下分页机制浅谈

                    图片三：控制寄存器

➀什么是PE,PG,WP呢？
 1、PE：CR0寄存器的第0位，Protection Enable，启用保护标志。如果该位为1，开启了保护模式，反之关闭，当开启保护模式的时候PE\PG都会置位。
2、PG：CR0寄存器的第31位，Paging，分页标志位。如果为1则开启分页机制，禁止分页的话线性地址等同于物理地址，若开启标志位意味着需要开启保护模式。
3、WP：CR0寄存器的第16位，Write Proctect，写保护标志。WP==1的时候意味着只读页面不可执行写操作，wp==0的时候意味着只读页面可执行写操作。

➁CR3寄存器保存了每个进程的页目录地址，什么叫做页目录呢？
 Windows下开启保护模式与分页机制后，当前CR0寄存器的属性PE == 1 AND PG == 1，意味着进程中的虚拟地址将通过页表转换映射相对应的物理地址上，如图二所示，我们手工的获取来学习：
首先介绍一下分页机制其中一种记录方式：

非物理地址扩展模式物理地址扩展模式
  非PAE模式   PAE模式

 
 PAE模式：Physical address extension，物理扩展模式。能够在32位操作系统访问超过4GB寻址大小的模式，允许将最多64GB 的物理内存用作常规的4 KB 页面，并扩展内核能使用的位数以将物理内存地址从32扩展到36。
非PAE模式：在非物理扩展模式下，32位最大只能4GB所以，即使你有8G的内存条，也是白费。
那么在非PAE模式下，操作系统分页机制如何实现的？每个分页4kb，一共4GB的内存，4194304KB大小也就是一共1048576个分页，那么如何高效的管理这些分页呢？
 1024(PDT) × 1024(PTT) × 4096 = 4GB
1024(PTT) × 1024(PTE) × 4 = 4MB
1024(PDT) ×1024(PTE) = 1MB
如上述公式所示，就是通过这种方式来管理4GB的内存分页，PDT，PTT，PTE又是什么，如下所示

名称描述
页目录索引表（PDT） 一级索引
页表索引表（PTT） 二级索引
页表项（PTE） 页表项 PDT（1024项PDE），PTT（1024项PTE）

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                  图片四：地址解析

 需要配合图二一起理解，操作系统会通过CR3寄存器获取当前进程的页表目录地址，然后根据虚拟地址拆分为10，10，12比例，找到页目录，找到页表，然后找到分页加上对应的偏移（物理内存），为了方便理解，当然也是动手写个小程序，在windbg下一探究竟。

 
➀编写测试代码，如下所示：

int main()
{
    printf("虚拟地址：0x%X\n", "hello world");
    cout << "hello world" << endl;
    system("pause");
}

 ➁编译后拖入虚拟机，开启双击调试(测试环境win7 32位)，运行测试程序（不要关闭回车），windbg下输入!process 0 0查看全部进程及各部分说明，如下所示：
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                 图片五：双击调试
 ➂上述进程说明中我们看到DirBase地址，这个就是当前进程指向的页目录，我们看看到底对不对?需要明确的字段PROCESS 0x86ca5c18是EPROCESS的地址，输入指令dt 0x86ca5c18 _EPROCESS来看一看，如下所示：
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                 图片六：EPROCESS
 ➃一个进程的页目录怎样找？在CreateProcess的第二个阶段，会初始化进程的执行体层EPROCESS数据结构与微内核层KPROCESS数据结构，系统DLL映像目标用户空间且初始化PEB操等等，来看_KPROCESS结构+0x18字段是什么？如下所示：
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                 图片七：DirectoryTableBase

 ➄通过上述_KPROCESS获取了PDT的地址，与解析出来PDT数据一样的。每当CPU切片执行进程时候，CR3就会被系统切换，CR3是不是读取当前进程DirectoryTableBase字段作为切换数值有待研究，看一看PDT也就是页表转换的第一层结构，如下所示：
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                 图片八：虚拟地址

 ➅解释两个dd，因为这个以前也总是被同学问起，dd怎么啥东西都找不到，在windbg命令下，d系列命令只能查看虚拟地址, 查看物理地址需要使用!d系列命令，PDT是物理地址，如下所示：
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                 图片九：物理地址
 ➆根据上述一些理论性知识，如图九中所展示的每项便是页表地址（物理地址）,根据虚拟地址，测试是否能通过页表转换找到映射的物理存储数据，所以第二步中没输出字符串虚拟地址（图是昨天的），重新来一下（已经关闭了随机基址），如下所示：
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                 图片十：输出字符串在虚拟内存地址
➇根据图片四把上述的虚拟地址进行分割，如下所示：
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                 图片十一：虚拟地址转换
 ➈对应的二进制换算16进制 （1 <--> 19 <--> B30），其中1代表是页目录表中的第一项，查看页目录表之前需要对地址页目录的PTE了解，如下所示：

 ➉如上图所示，低12位是属性，高位是地址， 然后页表索引是19，数组元素是保存的指针，需要乘以4字节，如下所示：
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                 图片十二：页表查找
 ⑪怎么什么都没有，还记着我们上述说过，这一台记录方式PAE与非PAE，我们现在所处的环境究竟是怎样，我们打开cmd，利用bcdedit命令，先做了解如下所示:
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                 图片十三：bcdedit

 ⑫修改当前pae模式以及nx模式，pae我们知道是物理扩展模式，nx是缓解机制，使某些内存区域不可执行，并使可执行区域不可写DEP，我们也要改为Always Off模式，如下所示：
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修改指令如下：

名称关闭指令开启指令
PAE bcdedit /set pae ForceDisable bcdedir /set forceEnable
NX bcdedit /set nx AlwaysOff bcdedit /set nx OptIn

修改后属性如下：
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                 图片十四：属性调整
⑬重启系统后，再次按照上述步骤查找具体的分页数据，如下所示：
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                 图片十五：非PAE下目录表
 ⑭那么解析虚拟地址之后，如何通过也目录找到具体页表呢？我们需要了解一下页目录中的每一项PDE数据，也就是指针如何分解的，如下所示：

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                 图片十六：页表地址解析

 ⑮通过上图所示，我们知道低位12位是属性，高位才是地址，意味着我们只需要BaseAddress + 第几项PTT × 4（指针大小）就可以找到相对的页表指针，如下所示：
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                 图片十七：页表

 ⑯找到了具体的页表地址，也就是0x342f6025，加上具体的偏移（虚拟地址分解出的低12位）就可以找到映射的物理内存数据保存，当然地址还是要把地位属性去掉，用地址+偏移即可，如下所示：
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                 图片十八：物理内存

 
 整个过程解析了虚拟地址将一个地址如何映射到物理内存，他们之间的存在的转换映射关系，当然省略很多机制内部机制。片面的理解保护模式下分页的重要性，我们跟多层面去学习研究虚拟内存与物理内存关系。


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