X64内核SMAP,SMEP浅析

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看雪论坛作者ID：amzilun

前言

实验环境：Win10+VS2015+WDK10

SMAP(Supervisor Mode Access Prevention，管理模式访问保护)和SMEP(Supervisor Mode Execution Prevention，管理模式执行保护)的作用分别是禁止内核CPU访问用户空间的数据和执行用户空间的代码，并不会因为你权限高就能访问/执行低权限的资源，你的就是你的，我的就是我的，而之前零环权限就很牛逼了，你的就是我的，我的还是我的。

如何区分内核态和用户态虚拟空间呢，32位OS用00000000-ffffffff寻址整个4GB虚拟空间，其中0000000-7ffffffff是用户态的虚拟地址空间，80000000-ffffffff是内核态的虚拟地址空间。

到了X64，虽然CPU的寻址从32位变成64位，因为虚拟地址的高16位在用户模式下总是被设置为0000，而在内核模式下总是被置为FFFF。所以实际上只支持48位的虚拟地址空间供软件使用。

用户态的虚拟地址空间范围为0000 0000 00000000 ~ 0000 ffff ffffffff，内核模式的地址空间范围为ffff 0000 00000000 ~ ffff ffff ffffffff，所以用户态和内核态之间隔了非常远，对操作系统可见的内核虚拟地址空间的大小为256TB。

注意我没有提内核页表隔离（KPTI）等安全机制，所以这只是个大概的划分。

SMEP和SMAP导致我们不能像从前那样，利用恶意进程提权到0环权限后，扭头去执行布置在用户态的恶意shellcode，三环shellcode注入也不好使了（如果把shellcode布置在内核空间，又会遇到PatchGuard的强力阻击）。

本文将通过实验一步一步来感知SMEP，SMAP如何起作用，并找出如何在最新Win10安全防护体系中绕过他们的具体方法。

1. 构造X64下的IDT后门

首先新建一个 Visual C++ 空项目，选择Debug和X64后，还需要配置一下项目的工程属性，先把警告等级调成3：

把增量链接改成否：

把随机基址改成否，把固定基址改成是：

下一步就是如何在VS2015里写汇编，64位VS编译器因为不再支持内联汇编，所以我们再也不能像32位的那样，首先写一个裸函数，在里面放置我们提权到0环后要执行的汇编代码，然后等着提权后执行了。也不知道微软为什么把如此优秀的机制取消了。

那怎么才能把汇编代编译进我们的代码呢，答案是把汇编函数写到一个汇编文件，然后和c文件一起编译。

汇编函数在主函数里作为外部符号去使用，我每次都参照这个帖子操作：https://www.cnblogs.com/talenth/p/9135626.html 。

如果您使用的是其他版本的VS步骤和方法可能会有所不同。文件如下，下面的汇编文件包含了三个函数IntEntry，go和int3，如下所示：

semap : none

EXTERN x : qword

.data
; ttt qword ?
.code

IntEntry    Proc
    iretq
IntEntry    Endp

go Proc
    int 21h
    ret
go Endp

int3 Proc
    int 3h
    ret
int3 Endp
END

main函数如下所示：

#include <Windows.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

extern "C" void IntEntry();
extern "C" void go();
extern "C" void int3();
extern "C" ULONG64 x;
ULONG64 x;

void main()
{
    if ((ULONG64)IntEntry != 0x0000000140001000)
    {
        printf("wrong IntEntery at %p", IntEntry);
        system("pause");
        exit(-1);
    }
    go();
    printf("%p\n", x);
    system("pause");
}

编译出来后在1903运行。然后我们在操作系统中人为构造一个IDT后门，我构造自定义的中断int21，之所以用int 21h 因为系统没占用21号中断。

并把中断处理函数的地址设为0x0000000140001000，由于之前指定了工程属性为“随机基址否，固定基址是”使得IntEntery函数的入口地址始终是0x0000000140001000而不是随机数。

由于64位中断门已经从8字节变成16字节，1号中断门描述符正在fffff80545a5b010，2号在这基础上+10h变成fffff80545a5b020，以此类推21号在fffff80545a5b210。用Windbg构造21号中断如下：

eq fffff8010845b210 4000ee0000101000

eq fffff801 0845b218 1

我们用!idt指令来查看一下，发现21号的中断处理函数的确已经改成了我们自己的0x0000000140001000函数，即IntEntry的基址。

2. 触发SMEP

编译并运行这个程序，虚拟机立即崩溃，一个典型的三重错误。

目前我们的中断处理函数里就只有iretq，如果是在32位的XP系统甚至64位的Win7系统，程序应该会顺利的退出，但在Win10-1903下运行结果是三重错误，原因就是Win10引入了最新的安全机制：SMAP(Supervisor Mode Access Prevention)和SMEP(Supervisor Mode Execution Prevention)

SMEP就是内核权限的CPU不能执行用户权限的代码页，本次实验中，21中断的处理函数地址是0x0000000140001000，显然是位于用户态的代码页，因此提权到内核权限的CPU执行该函数时就会崩溃。

可能有人会怀疑崩溃并不是SMEP导致，而是由于修改IDT表触发PG，这里我说明下，这个错误绝对不可能是PG导致的，原因是：

1. 该错误是运行代码后立即触发的，而PG是延迟触发的，也就是修改的那一刻也许不会立即触发，经过一段时间PG扫描到这段代码被修改就会触发。所以PG蓝屏的时间是不确定的，也许几分钟，几小时都有可能，实际攻击中可以改完后再短时间内恢复现场，以躲避PG的检测。

2. 这是一个非常严重的三重错误，而PG导致的错误一般仅仅只是蓝屏，错误代码109。附加调试器时可以用!analsys v 来分析崩溃现场的，而三重错误比蓝屏要严重的多，性质完全不同。

那么如何绕过SMEP，让提权后的CPU能执行三环代码呢？

3. 绕过SMEP

从上图可知CR4寄存器的20和21分别是SMEP和SMAP标志位，置一代表功能开启，置零就代表功能关闭，定位到这两个位问题就好解决了。

我们用r cr4得知cr4是0x370678，再用.formats 0000000000370678把它解析成二进制，结果是: 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00110111 00000110 01111000。

注意20，21不是第20,21位，而是21,22位，是从0开始的。我把这两位标记出来了，这两个位都是1，说明SMEP和SMAP都默认开启。

只要用Windbg把21位置零就可以了,我们只需手动把CR4从370678改成270678就绕过了SMAP。

4. 触发SMAP

我们在中断处理函数IntEntry再加入这样两行代码 mov rax, [0fffff8010845dfb0h] 和mov x, rax，fffff8010845dfb0是我这台机器GDT表第二项的地址。我们试图把一个内核地址的数值通过rax转存到一个位于三环的全局变量x中：

semap : none
 
EXTERN x : qword
 
.data
; ttt qword ?
.code
 
IntEntry    Proc
    mov rax, [0fffff8010845dfb0h]
    mov x, rax
    iretq
IntEntry    Endp
 
go Proc
    int 21h
    ret
go Endp
 
int3 Proc
    int 3h
    ret
int3 Endp
END

编译执行后还是会产生一个三重错误。

那问题出在哪呢？其实第一句没问题，使用0环权限访问零环内存地址，但第二句就有问题了，全局变量x是一个三环的全局变量，写入x时发生0环访问了三环数据，从而触发SMAP，系统崩溃。我们刚才只绕过了SMEP，现在来处理SMAP。

5. 绕过SMAP

方法1：借鉴之前绕过SMEP的方法，故伎重演用Windbg把CR4的22位置零，21,22同时置零时的CR4是70678。

方法2：系统调用发生时，进入0环前需要拷贝3环寄存器到0环栈上，没触发SMAP，然后有时需要传数据给三环时，如果rax写不下时还需要从0环返回三环，需要拷贝0环的数据到三环，也没触发SMAP。

那么系统是如何保证0环三环互相拷贝数据而不触发呢？我们需要学习系统是如何绕过的，通过对int3，就也是CC断点的中断处理函数逆向，发现stac指令可以起到关闭SMAP的作用。

这条汇编指令罕见到根本百度不到，可见实际逆向+查看英特尔白皮书是内核研究的有效方法。

- End -

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https://bbs.pediy.com/user-home-803510.htm

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