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虚拟内存与ASLR

路西法阁下 2021-09-30 阅读 59

一、虚拟内存

在早期的操作系统中没有虚拟内存的概念,叫做物理地址。大概如下:


这个时候会将整个应用程序加载到内存,当内存不够用的时候需要关闭应用程序才能打开新的应用程序。
随着软件的发展速度远快于硬件,就存在一个问题 内存不够用。还有一个问题是如果用物理内存还有 安全问题(可以跨进程访问别的应用程序数据)。

这个时候出现了内存映射表(页表iOS中地址空间4G,实际不会让你用完4G):


内存映射表将应用程序和物理内存完全阻隔开,应用程序访问的虚拟内存相同,但是映射到物理内存是不同的地址。

之前的物理内存访问存在两个问题:

  1. 安全问题:能访问别人的进程。
  2. 内存不够用的问题。

通过页表可以解决安全问题,那么内存不够用是怎么解决的呢?
早期物理内存是将整个应用程序全部加载到内存,但是用户并不会用到软件的全部功能,很大一部分数据是没有用到的。

如果内存映射表以字节为单位那么表会非常大。这个时候就出现了内存分页管理iOS一页16kb)。


应用程序读取第一页的数据,虚拟页表发现物理内存中没有数据则去加载数据(这个时候触发中断pagefault)。如果已经加载则通过地址翻译(MMU)去找物理内存。这个时候物理内存是随机分配的(解决了安全问题),并且应用程序只是用到的部分加载(内存不够用解决)。如果物理内存满了则数据会被加载到最不活跃的地址去覆盖数据。

Apple在物理内存中分配了一块空间(需要申请),不在特殊情况不会被覆盖。这样就实现了保活。比如音乐播放等。

那么加了页表需要查找物理内存会不会影响效率呢?

页表查找物理内存是通过CPU上的硬件MMU(地址翻译)完成的,并且CPU上有高速缓存对查找结果进行缓存。真正影响效率的地方是缺页中断(pagefault),不过这个用户也感知不到。

二、ASLR

ASLRAddress space layout randomization)是一种针对缓冲区溢出的安全保护技术,通过对堆、栈、共享库映射等线性区布局的随机化,通过增加攻击者预测目的地址的难度,防止攻击者直接定位攻击代码位置,达到阻止溢出攻击的目的。

目前大部分主流的操作系统已经实现了ASLR

  • Linux
    Linux已在内核版本2.6.12中添加ASLR
  • Windows
    Windows Server 2008Windows 7Windows VistaWindows Server 2008 R2默认情况下启用ASLR,但它仅适用于动态链接库和可执行文件。
  • Mac OS X
    AppleMac OS X Leopard10.5(2007年10月发行)中某些库导入了随机地址偏移,但其实现并没有提供ASLR所定义的完整保护能力。而Mac OS X Lion10.7则对所有的应用程序均提供了ASLR支持。Apple宣称为应用程序改善了这项技术的支持,能让3264位的应用程序避开更多此类攻击。从OS X Mountain Lion10.8开始,核心及核心扩充(kext)与zones在系统启动时也会随机配置。
  • iOS(iPhone, iPod touch, iPad)
    AppleiOS4.3内导入了ASLR
  • Android
    Android 4.0提供地址空间配置随机加载(ASLR),以帮助保护系统和第三方应用程序免受由于内存管理问题的攻击,在Android 4.1中加入地址无关代码(position-independent code)的支持。

以前应用程序直接加载到物理内存中每次地址是随机的。虚拟内存每次地址都是从0开始的。那么虚拟内存就固定了,直接注入恶意程序就能直接访问了。这个时候就出现了ASLR。模拟了物理内存每次随机分配。


在上图中
文件偏移地址file offset0x1a70
虚拟内存地址VM Address0x100001a70
运行虚拟内存地址:ASLR + VM Address

总结

  • 虚拟内存
    • 所有程序的内存访问都是通过虚拟地址访问的。
    • 每个应用程序有一张页表,虚拟地址和物理地址的映射表。
    • 数据加载以页为单位加载。
  • ASLR
    • 一种保护技术,在每次加载应用的时候系统给一个随机的偏移值。所以需要rebase
    • 定位方法地址,下内存断点
      • 1、LLDB:image list 找到MachO首地址。
      • 2、找到方法在文件中的虚拟地址、文件中的偏移地址。
      • 3、获取到方法的虚拟地址
        • 3.1、MachO首地址 + 文件中的偏移地址
        • 3.2、MachO中的虚拟地址 + ASLR

ASLR

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