深入了解Unprot

一、概述

Unprot是一個輕量級的內存保護工具。它通過在可執行文件中插入一些技巧性的代碼，來保證內存的安全性。與傳統的內存保護工具不同，Unprot不依賴於任何特定的平台或編譯器，因此同樣可以在不同的操作系統和編譯器上使用。

二、Unprot可實現的內存保護功能

Unprot主要用於保護內存的讀、寫、執行許可權不被越權操作。具體來說，它可以實現以下幾個粒度的內存保護功能：

1）頁面級別的內存保護。Unprot插入的代碼可以將整個頁面（通常是4KB）的內存標記為只讀或不可執行。

void page_protect(void *addr);

2）區域級別的內存保護。Unprot可以把整個內存區域（可以是幾個頁面）標記為只讀或不可執行。

void region_protect(void *addr, size_t size);

3）指針級別的內存保護。Unprot可以將某個指針指向的內存區域標記為只讀或不可執行。

void pointer_protect(void *pointer);

三、Unprot的實現原理

Unprot通過在可執行文件中插入特定的代碼，來對內存進行保護。相比於其他內存保護工具，Unprot的實現原理比較巧妙，同時也比較複雜。

1、頁面級別的保護

Unprot將頁面標記為只讀或不可執行，主要是通過修改該頁面對應的頁表項。當程序試圖寫該頁面的內存時，CPU會檢查該頁表項是否可寫，如果不可寫，則會拋出一個頁錯誤<Page Fault>異常，然後交由操作系統處理。操作系統通常會將該頁面標記為可寫，並重新執行該指令。

#define PT_PAGE_PROT (0x1 << 1)
#define PT_PAGE_NO_EXEC (0x1 << 63)

void page_protect(void *addr) {
  uintptr_t pte = get_pt_entry(addr);
  set_pt_entry(addr, pte & ~PT_PAGE_PROT & ~PT_PAGE_NO_EXEC);
}

void page_unprotect(void *addr) {
  uintptr_t pte = get_pt_entry(addr);
  set_pt_entry(addr, pte | PT_PAGE_PROT | PT_PAGE_NO_EXEC);
}

2、區域級別的保護

對於區域級別的保護，Unprot需要找到包含該區域的所有頁面，並將它們標記為只讀或不可執行。

void region_protect(void *addr, size_t size) {
  void *start_page = round_down(addr, PAGE_SIZE);
  void *end_page = round_up(addr + size, PAGE_SIZE);

  while (start_page < end_page) {
    page_protect(start_page);
    start_page += PAGE_SIZE;
  }
}

3、指針級別的保護

對於指針級別的保護，Unprot會先解引用該指針，然後再對指向的內存區域進行保護。如果該指針指向了一塊只讀或不可執行的內存，Unprot會拋出一個頁錯誤異常。

void pointer_protect(void *pointer) {
  uintptr_t addr = *((uintptr_t *)pointer);
  page_protect(round_down(addr, PAGE_SIZE));
}

四、Unprot的應用場景

Unprot可以被廣泛應用於安全領域。例如：

1）防止攻擊者通過緩衝區溢出等方式改變程序流程。

2）防止攻擊者利用ROP（Return-Oriented Programming）技術執行惡意代碼。

3）防止代碼注入和代碼修改。

五、Unprot的局限與優化

儘管Unprot能夠有效地保護內存，但它也存在一些局限和優化空間：

1）Unprot只能保護可執行代碼段和全局數據段，對於棧和堆等動態分配的內存無法保護。

2）Unprot的代碼實現比較複雜，可能會對程序運行性能產生一定的影響。

3）Unprot只能保護內存不被write和execute越權寫入，但無法保護read的越權讀取。

未來，我們可以考慮優化Unprot的代碼實現，使其更加輕量級和高效。