[發(fā)明專(zhuān)利]基于硬件輔助虛擬化技術(shù)的進(jìn)程內(nèi)存保護(hù)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410215459.3
• 申請(qǐng)日: 2014-05-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103955438B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃皓;李佳瑤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F12/14
• 分類(lèi)號(hào): G06F12/14
• 代理公司: 南京君陶專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

1.基于硬件輔助虛擬化的進(jìn)程內(nèi)存安全保護(hù)方法，其特征是該方法包括以下步驟：

步驟1：加載進(jìn)程內(nèi)存監(jiān)控模塊，使其運(yùn)行于根模式（Root），并將操作系統(tǒng)作為客戶(hù)機(jī)系統(tǒng)置于非根模式（Non-Root），設(shè)置VMCS控制域，使監(jiān)控模塊能夠捕獲到CR3寄存器的改寫(xiě)和頁(yè)錯(cuò)誤異常；

步驟2：受保護(hù)進(jìn)程在啟動(dòng)時(shí)通知監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊驗(yàn)證發(fā)送通知的進(jìn)程是否為受保護(hù)的進(jìn)程；

步驟3：為受保護(hù)進(jìn)程的受保護(hù)內(nèi)存空間創(chuàng)建加密拷貝，并為受保護(hù)進(jìn)程創(chuàng)建一份用戶(hù)模式影子頁(yè)表和一份內(nèi)核模式影子頁(yè)表，分別指向受保護(hù)內(nèi)存的明文和密文；

步驟4：利用影子頁(yè)表機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存虛擬，設(shè)置系統(tǒng)中所有進(jìn)程的影子頁(yè)表中頁(yè)目錄項(xiàng)的只讀屬性，并將受保護(hù)進(jìn)程用戶(hù)模式影子頁(yè)表中指向數(shù)據(jù)頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng)的不可執(zhí)行屬性設(shè)置為1，即該數(shù)據(jù)頁(yè)不可被執(zhí)行；

步驟5：捕獲CR3寄存器改寫(xiě)操作和頁(yè)錯(cuò)誤異常，通過(guò)捕獲CR3寄存器的改寫(xiě)，判斷要寫(xiě)入的值是否為受保護(hù)進(jìn)程頁(yè)目錄基地址，是則向CR3寄存器寫(xiě)入受保護(hù)進(jìn)程內(nèi)核模式影子頁(yè)表的頁(yè)目錄基地址，通過(guò)捕獲頁(yè)錯(cuò)誤異常，監(jiān)控受保護(hù)進(jìn)程用戶(hù)模式與內(nèi)核模式的切換以及其他進(jìn)程的頁(yè)表改寫(xiě)操作。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硬件輔助虛擬化的進(jìn)程內(nèi)存安全保護(hù)方法，其特征是所述的步驟1中，進(jìn)程內(nèi)存監(jiān)控模塊以驅(qū)動(dòng)程序的形式安裝于操作系統(tǒng)中，該驅(qū)動(dòng)程序可以動(dòng)態(tài)加載，加載后將CPU的虛擬化功能開(kāi)啟，并準(zhǔn)備好虛擬化運(yùn)行時(shí)必須的一些控制結(jié)構(gòu)，然后使CPU運(yùn)行于非根模式，該驅(qū)動(dòng)程序的處理流程為：

1）分配和初始化VMXON控制域；

2）開(kāi)啟VMX操作模式；

3）分配和初始化VMCS控制域；

4）進(jìn)入VMX非根模式；

在初始化VMCS控制域時(shí)，通過(guò)設(shè)置其中的VM-Execution控制域，使改寫(xiě)CR3寄存器和頁(yè)錯(cuò)誤異常發(fā)生時(shí)產(chǎn)生VMEXIT事件，以捕獲任何寫(xiě)CR3寄存器的操作和頁(yè)錯(cuò)誤異常。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硬件輔助虛擬化的進(jìn)程內(nèi)存安全保護(hù)方法，其特征是所述的步驟2中，受保護(hù)進(jìn)程通過(guò)調(diào)用VMCALL指令將自身的名稱(chēng)和PID傳遞給進(jìn)程內(nèi)存監(jiān)控模塊，使監(jiān)控模塊獲得其加載通知，監(jiān)控模塊收到進(jìn)程加載消息后對(duì)該進(jìn)程做哈希運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果與已計(jì)算的哈希值進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證受保護(hù)進(jìn)程的完整性。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硬件輔助虛擬化的進(jìn)程內(nèi)存安全保護(hù)方法，其特征是所述的步驟3為受保護(hù)進(jìn)程的受保護(hù)內(nèi)存空間創(chuàng)建加密拷貝，是利用物理頁(yè)幀加密技術(shù)為受保護(hù)進(jìn)程的受保護(hù)內(nèi)存空間創(chuàng)建加密拷貝，并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)受保護(hù)進(jìn)程的兩套地址映射關(guān)系，其中，用戶(hù)模式影子頁(yè)表指向受保護(hù)內(nèi)存的明文，而內(nèi)核模式影子頁(yè)表指向受保護(hù)內(nèi)存的密文，結(jié)合對(duì)受保護(hù)進(jìn)程模式切換的監(jiān)控，使提供給受保護(hù)進(jìn)程自身使用的是指向真實(shí)物理內(nèi)存的用戶(hù)模式影子頁(yè)表，而提供給內(nèi)核態(tài)代碼使用的是指向受保護(hù)內(nèi)存加密拷貝的內(nèi)核模式影子頁(yè)表。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硬件輔助虛擬化的進(jìn)程內(nèi)存安全保護(hù)方法，其特征是所述的步驟4利用影子頁(yè)表機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存虛擬，將系統(tǒng)中各進(jìn)程影子頁(yè)表中的頁(yè)目錄項(xiàng)的可寫(xiě)位置為0，即該頁(yè)目錄項(xiàng)指向的頁(yè)表頁(yè)不可寫(xiě)，以此監(jiān)控客戶(hù)機(jī)頁(yè)表頁(yè)的修改操作，并通過(guò)設(shè)置受保護(hù)進(jìn)程用戶(hù)模式影子頁(yè)表中頁(yè)表項(xiàng)的不可執(zhí)行屬性，使受保護(hù)進(jìn)程數(shù)據(jù)區(qū)頁(yè)面不可被執(zhí)行，則非法注入到受保護(hù)進(jìn)程用戶(hù)態(tài)的惡意程序無(wú)法得到執(zhí)行，防止了用戶(hù)態(tài)代碼注入攻擊。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硬件輔助虛擬化的進(jìn)程內(nèi)存安全保護(hù)方法，其特征是所述的步驟5捕獲CR3寄存器改寫(xiě)操作和頁(yè)錯(cuò)誤異常，對(duì)于CR3寄存器改寫(xiě)事件，判斷寫(xiě)入CR3寄存器的值是否為受保護(hù)進(jìn)程的頁(yè)目錄基地址，是則向CR3寄存器寫(xiě)入受保護(hù)進(jìn)程內(nèi)核模式影子頁(yè)表的物理頁(yè)基地址；

通過(guò)對(duì)頁(yè)錯(cuò)誤異常的捕獲，監(jiān)控受保護(hù)進(jìn)程的模式切換，以及其他進(jìn)程的頁(yè)表修改操作；

針對(duì)用戶(hù)模式切換到內(nèi)核模式的處理過(guò)程為：

1）將受保護(hù)進(jìn)程的用戶(hù)模式影子頁(yè)表中對(duì)應(yīng)于內(nèi)核態(tài)代碼的PTE的屬性設(shè)置為不可執(zhí)行；

2）當(dāng)CPU從用戶(hù)模式進(jìn)入到內(nèi)核模式時(shí)，產(chǎn)生頁(yè)錯(cuò)誤異常，監(jiān)控模塊捕獲到進(jìn)入內(nèi)核模式；

3）將CR3寄存器修改為指向受保護(hù)進(jìn)程的內(nèi)核模式影子頁(yè)表；

針對(duì)內(nèi)核模式切換到用戶(hù)模式的處理過(guò)程為：

1）將受保護(hù)進(jìn)程的內(nèi)核模式影子頁(yè)表中對(duì)應(yīng)于內(nèi)核態(tài)代碼的PTE的屬性設(shè)置為不可執(zhí)行；

2）當(dāng)CPU從內(nèi)核模式進(jìn)入到用戶(hù)模式時(shí)，產(chǎn)生頁(yè)錯(cuò)誤異常，監(jiān)控模塊捕獲到進(jìn)入用戶(hù)模式；

3）將CR3寄存器修改為指向受保護(hù)進(jìn)程的用戶(hù)模式影子頁(yè)表；

通過(guò)上述設(shè)置和處理，利用攔截系統(tǒng)調(diào)用注入到內(nèi)核態(tài)的代碼無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到受保護(hù)的內(nèi)存空間；

非受保護(hù)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，若客戶(hù)機(jī)頁(yè)表中的映射關(guān)系在影子頁(yè)表中不存在，則會(huì)產(chǎn)生影子錯(cuò)誤，此時(shí)檢查該頁(yè)表項(xiàng)中的物理頁(yè)幀號(hào)與為受保護(hù)物理內(nèi)存頁(yè)的物理頁(yè)幀號(hào)相同，若相同則將該物理頁(yè)幀號(hào)修改為對(duì)應(yīng)的加密物理頁(yè)面的頁(yè)幀號(hào)，當(dāng)非受保護(hù)進(jìn)程修改自身頁(yè)表時(shí)將觸發(fā)頁(yè)錯(cuò)誤異常，此時(shí)判斷是否要將受保護(hù)內(nèi)存的物理頁(yè)幀號(hào)寫(xiě)入某個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，若是，則寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的加密物理頁(yè)面的物理頁(yè)幀號(hào)，以禁止其他進(jìn)程通過(guò)修改自身頁(yè)表訪(fǎng)問(wèn)受保護(hù)內(nèi)存空間。