淺談FS段寄存器在用戶層和內核層的使用

//weibo: @少仲

在R0和R3時,FS段寄存器分別指向GDT中的不同段:在R3下,FS段寄存器的值是0x3B,在R0下,FS段寄存器的值是0x30.分別用OD和Windbg在R3和R0下查看寄存器(XP3),下圖:

FS寄存器的改變是從R3進入R0後和從R0退回到R3前完成的,也就是說：都是在R0下給FS賦不同值的.(FS在R0和R3中是不同的值,在KiFastCallEntry / KiSystemService中FS值由0x3B變成0x30在 KiSystemCallExit / KiSystemCallExitBranch / KiSystemCallExit2 中再將R3的FS恢復)

一.R3與R0之間的互相轉換

nt!KiSystemService:
808696a1 6a00            push    0
808696a3 55              push    ebp
808696a4 53              push    ebx
808696a5 56              push    esi
808696a6 57              push    edi
808696a7 0fa0            push    fs    //舊的R3 下的FS 保存入棧 
808696a9 bb30000000      mov     ebx,30h
808696ae 668ee3          mov     fs,bx  //FS=0X30  FS 值變成了0X30
808696b1 64ff3500000000  push    dword ptr fs:[0]
808696b8 64c70500000000ffffffff mov dword ptr fs:[0],0FFFFFFFFh
808696c3 648b3524010000  mov     esi,dword ptr fs:[124h]  //ESI=_ETHEAD
808696ca ffb640010000    push    dword ptr [esi+140h]     //PreviousMode
808696d0 83ec48          sub     esp,48h                  
808696d3 8b5c246c        mov     ebx,dword ptr [esp+6Ch]  


KiSystemCallExit部分代碼
80869945 8d6550          lea     esp,[ebp+50h]
80869948 0fa1            pop     fs       // 恢復 FS 值 
8086994a 8d6554          lea     esp,[ebp+54h]
8086994d 5f              pop     edi
8086994e 5e              pop     esi
8086994f 5b              pop     ebx
80869950 5d              pop     ebp
80869951 66817c24088000  cmp     word ptr [esp+8],80h

二.R3下的FS

當線程運行在R3下時,FS指向的段是GDT中的0x3B段.該段的長度爲4K,基地址爲當前線程的線程環境塊（TEB）,所以該段也被稱爲“TEB段”.因爲Windows中線程是不停切換的,所以該段的基地址值將隨線程切換而改變的.Windows2000中進程環境塊（PEB）的地址爲0X7FFDF000,該進程的第一個線程的TEB地址爲0X7FFDE000,第二個TEB的地址爲0X7FFDD000…..但是在WindowsXP SP3 下這些結構的地址都是隨機映射的.所以進程的PEB的地址只能通過FS:[0x30]來獲取了.Windows中每個線程都有一個ETHREAD結構,該結構的TEB成員（其實是KTHREAD中的成員,而KTHREAD又是ETHREAD的成員）是用來保存線程的TEB地址的,當線程切換時,Windows就會用該值來更改GDT的0x30段描述符的基地址值.

nt!_TEB
   +0x000 NtTib            : _NT_TIB
      +0x000 ExceptionList    : Ptr32
      +0x004 StackBase        : Ptr32
      +0x008 StackLimit       : Ptr32
      +0x00c SubSystemTib     : Ptr32
      +0x010 FiberData        : Ptr32
      +0x010 Version          : Uint4B
      +0x014 ArbitraryUserPointer : Ptr32
      +0x018 Self             : Ptr32    //TEB
   +0x01c EnvironmentPointer : Ptr32
   +0x020 ClientId         : _CLIENT_ID
      +0x000 UniqueProcess    : Ptr32
      +0x004 UniqueThread     : Ptr32
   +0x028 ActiveRpcHandle  : Ptr32
   +0x02c ThreadLocalStoragePointer : Ptr32
   +0x030 ProcessEnvironmentBlock : Ptr32   //PEB
   +0x034 LastErrorValue   : Uint4B
   +0x038 CountOfOwnedCriticalSections : Uint4B
   +0x03c CsrClientThread  : Ptr32
   +0x040 Win32ThreadInfo  : Ptr32

FS:[0X18] 就是TEB 所在的地址；FS:[0X30] 就是PEB 所在的地址

三.在R0下的FS

kd> dg 8 0x40
                                  P Si Gr Pr Lo
Sel    Base     Limit     Type    l ze an es ng Flags
---- -------- -------- ---------- - -- -- -- -- --------
0008 00000000 ffffffff Code RE    0 Bg Pg P  Nl 00000c9a
0010 00000000 ffffffff Data RW    0 Bg Pg P  Nl 00000c92
0018 00000000 ffffffff Code RE    3 Bg Pg P  Nl 00000cfa
0020 00000000 ffffffff Data RW    3 Bg Pg P  Nl 00000cf2
0028 80042000 000020ab TSS32 Busy 0 Nb By P  Nl 0000008b
0030 ffdff000 00001fff Data RW    0 Bg Pg P  Nl 00000c92
0038 00000000 00000fff Data RW Ac 3 Bg By P  Nl 000004f3
0040 00000400 0000ffff Data RW    3 Nb By P  Nl 000000f2

當線程運行在R0下時, FS指向的段是GDT中的0x30段.該段的長度也爲4K,基地址爲0xFFDFF000.該地址指向系統的處理器控制區域（KPCR）.這個區域中保存這處理器相關的一些重要數據值,如GDT、IDT表的值等等.

kd> dt nt!_kpcr
nt!_KPCR
        +0x000 NtTib                 : _NT_TIB
        +0x01c SelfPcr               : Ptr32 _KPCR    //KPCR
        +0x020 Prcb                  : Ptr32 _KPRCB
        +0x024 Irql                  : UChar
        +0x028 IRR                   : Uint4B
        +0x02c IrrActive             : Uint4B
        +0x030 IDR                   : Uint4B
        +0x034 KdVersionBlock        : Ptr32 Void
        +0x038 IDT                   : Ptr32 _KIDTENTRY
        +0x03c GDT                   : Ptr32 _KGDTENTRY
        +0x040 TSS                   : Ptr32 _KTSS
        +0x044 MajorVersion          : Uint2B
        +0x046 MinorVersion          : Uint2B
        +0x048 SetMember             : Uint4B
        +0x04c StallScaleFactor : Uint4B
        +0x050 DebugActive           : UChar
        +0x051 Number                : UChar
        +0x052 Spare0                : UChar
        +0x053 SecondLevelCacheAssociativity : UChar
        +0x054 VdmAlert              : Uint4B
        +0x058 KernelReserved        : [14] Uint4B
        +0x090 SecondLevelCacheSize : Uint4B
        +0x094 HalReserved           : [16] Uint4B
        +0x0d4 InterruptMode         : Uint4B
        +0x0d8 Spare1                : UChar
        +0x0dc KernelReserved2       : [17] Uint4B
   +0x120 PrcbData              : _KPRCB

展開_NT_TIB

kd> dt _NT_TIB
nt!_NT_TIB
   +0x000 ExceptionList    : Ptr32 _EXCEPTION_REGISTRATION_RECORD
   +0x004 StackBase        : Ptr32 Void
   +0x008 StackLimit       : Ptr32 Void
   +0x00c SubSystemTib     : Ptr32 Void
   +0x010 FiberData        : Ptr32 Void
   +0x010 Version          : Uint4B
   +0x014 ArbitraryUserPointer : Ptr32 Void
   +0x018 Self             : Ptr32 _NT_TIB    //TEB

看兩個地址0x18和0x1C.在TEB中0x18指向自己,即 TEB.而 KPCR 中指向自己的確是 0x1C ；0x18 卻是指向當前線程的 TEB ,所以 0x18 字段名叫做Self-used 比較確切（ WIN2K 源碼如此定義）.總之,不管是在R3還是R0 ,FS:[0x18] 總是指向當前線程的 TEB.


實例1:
獲取KTHREAD
展開KPCR後,再次展開kpcrb

kd> dt nt!_kprcb
nt!_KPRCB
        +0x000 MinorVersion          : Uint2B
        +0x002 MajorVersion          : Uint2B
        +0x004 CurrentThread         : Ptr32 _KTHREAD
        +0x008 NextThread            : Ptr32 _KTHREAD
        +0x00c IdleThread            : Ptr32 _KTHREAD

展開KPRCB結構繼續觀察可以看到FS:[0x124]指向了KTHREAD結構

實例2:
獲取IdleProcess

kd> dt _KPRCB
nt!_KPRCB
   +0x000 MinorVersion     : Uint2B
   +0x002 MajorVersion     : Uint2B
   +0x004 CurrentThread    : Ptr32 _KTHREAD
   +0x008 NextThread       : Ptr32 _KTHREAD
   +0x00c IdleThread       : Ptr32 _KTHREAD

kd> dt _KTHREAD
nt!_KTHREAD
   +0x000 Header           : _DISPATCHER_HEADER
   +0x010 MutantListHead   : _LIST_ENTRY
   +0x018 InitialStack     : Ptr32 Void
   +0x01c StackLimit       : Ptr32 Void
   +0x020 Teb              : Ptr32 Void
   +0x024 TlsArray         : Ptr32 Void
   +0x028 KernelStack      : Ptr32 Void
   +0x02c DebugActive      : UChar
   +0x02d State            : UChar
   +0x02e Alerted          : [2] UChar
   +0x030 Iopl             : UChar
   +0x031 NpxState         : UChar
   +0x032 Saturation       : Char
   +0x033 Priority         : Char
   +0x034 ApcState         : _KAPC_STATE
kd> dt _KAPC_STATE
nt!_KAPC_STATE
   +0x000 ApcListHead      : [2] _LIST_ENTRY
   +0x010 Process          : Ptr32 _KPROCESS
   +0x014 KernelApcInProgress : UChar
   +0x015 KernelApcPending : UChar
   +0x016 UserApcPending   : UChar

VOID GetIdleProcess()
{
     PEPROCESS IdleProcess;
     _asm
     {
         mov eax,fs:[0x20] //取KPCRB
         mov eax,[eax+0xC] //取IdleThread
         mov eax,[eax+0x44]//取ApcState->Process
         mov IdleProcess,eax
     }
}

最後貼一張KPCR結構圖