Windows内核安全: 与磁盘校验 ntoskrnl.exe 的内存完整性

本文实验环境: Windows 11 23H2 (Microsoft Windows 版本 10.0.22631.5039)

来自: 既视感安全实验室

代码: DejavuSecure/DetectNtoskrnlIntegrity: Windows Kernel Security: Memory Integrity Verification with Disk Verification of ntoskrnl.exe

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背景介绍

在Windows内核环境中，恶意行为通常从篡改系统关键数据开始，包括对ntoskrnl.exe的修改。即使在KPP(PatchGuard)执行的情况下，篡改仍有可能发生，主要有两种情况：

PatchGuard检测延迟：PatchGuard对篡改的防护并非实时的，存在一定延迟。恶意软件可能在关键流程前对ntoskrnl.exe执行篡改然后快速还原，影响执行流程。
引导阶段修补：一些恶意软件可作为UEFI Bootkit，在内核完全启动前就修补ntoskrnl.exe，这样PatchGuard会将修补视为合法，不会触发蓝屏。

因此，在执行关键操作前验证系统核心组件是Windows内核安全的基础建设。一种常见方法是将内存中的映像与磁盘文件进行对比校验。

内存与磁盘中ntoskrnl.exe的差异

磁盘文件与内存映像存在多种差异，需要在校验前考虑：

差异类型	描述
加载地址	内存中的基址与磁盘文件不同
重定位项	地址已根据实际加载位置调整
特殊节段	INIT、.rsrc、GFIDS等节在内存中可能被修改或释放
热修补	Windows引导加载器可能修改固定地址代码
Spectre 缓解	从Windows 10 1809开始的Retpoline实现
SSDT	KeServiceDescriptorTable中的表被压缩处理

完整性校验处理方法

基本流程

将磁盘文件中的节段数据按照VirtualAddress复制到相应位置
根据内核中ntoskrnl.exe的基地址对数据进行重定位
找到KeServiceDescriptorTable地址，模拟KeCompactServiceTable逻辑处理表数据
识别并允许Spectre缓解机制的合法修改
跳过不需要校验的特定节段

KeServiceDescriptorTable处理

KiServiceTable(SSDT表)和KiArgumentTable在加载后会被nt!KeCompactServiceTable函数压缩，核心逻辑如下：

FunctionCookie = (UHALF_PTR)*(PUHALF_PTR)(ServiceTableBase + Index * 4) - 
                 (UHALF_PTR)ServiceTableBase + (UHALF_PTR)NewImageBase;
*Pointer = (16 * FunctionCookie) | (ArgumentCookie >> 2);

在重定位后，应定位KiServiceTable和KiArgumentTable，然后模拟此逻辑对数据进行压缩。

不校验的节段

以下节段在校验过程中应排除：

所有可写节段
GFIDS (用于控制流保护)
MINIEX (用于Minidump机制)
INIT (初始化完成后会被释放)
.rsrc 和 .reloc (系统会修改)

注：虽然本文未校验.idata和.edata，但实际应用中应考虑更详细的校验导入表和导出表的数据。

热修补处理

Windows 10中页表相关地址被随机化，但ntoskrnl.exe代码中这些地址不是动态获取的，而是通过Windows引导加载程序热修补为正确地址。

检测到的常见热修补包括但不限于：

原始固定地址	被替换为
0xFFFFF68000000000	PteBase
0xFFFFF6FB40000000	PdeBase
0xFFFFF6FB7DA00000	PdptBase
0xFFFFF6FB7DBED000	Pml4Base
0x0FFFFDE0000000000	MmPfnDataBase
0x0FFFFF6FB7DBEDF68	SystemPteAddress

其中SystemPteAddress定义如下：

ULONG64 SystemCr3 = __readcr3();
PHYSICAL_ADDRESS PhysicalCr3{};
PhysicalCr3.QuadPart = SystemCr3;
ULONG64 VirtualCr3 = (ULONG64)MmGetVirtualForPhysical(PhysicalCr3);
ULONG64 SystemPteAddress = (ULONG64)MiGetPteAddress(PteBase, VirtualCr3);

在本文版本中具体的替换对如下:

// Create replacement array
ReplacementPair Replacements[] = {
    { 0x0FFFFF6FB7DBEDF68, SystemPteAddress },
    { 0x0FFFFF68000000000, PteBase },
    { 0x0FFFFF6FFFFFFFFFF, PteBase | 0xFFFFFFFFFF },
 
    { 0x0FFFFDE0000000000, MmPfnDataBase },
    { 0x0FFFFDE0000000008, MmPfnDataBase + 0x08 },
    { 0x0FFFFDE0000000010, MmPfnDataBase + 0x10 },
    { 0x0FFFFDE0000000018, MmPfnDataBase + 0x18 },
    { 0x0FFFFDE0000000022, MmPfnDataBase + 0x22 },
    { 0x0FFFFDE0000000020, MmPfnDataBase + 0x20 },
    { 0x0FFFFDE0000000023, MmPfnDataBase + 0x23 },
    { 0x0FFFFDE0000000028, MmPfnDataBase + 0x28 },
    { 0x0FFFFDE0000000030, MmPfnDataBase + 0x30 },
    { 0x0FFFFDE0000000FFF, MmPfnDataBase + 0xFFF },
 
    { 0x0FFFFF6FB7DBED000, Pml4Base },
    { 0x0FFFFF6FB7DBED7F8, Pml4Base + 0x7F8 },
    { 0x0FFFFF6FB7DBED800, Pml4Base + 0x800 },
    { 0x0FFFFF6FB7DBEDFFF, Pml4Base + 0xFFF },
 
    { 0x0FFFFF6FB7DA00000, PdptBase },
 
    { 0x0FFFFF6FB40000000, PdeBase },
    { 0x0FFFFF6FB5FFFFFF8, PdeBase + 0x1FFFFFF8 },
    { 0x0FFFFF6FB7FFFFFFF, PdeBase + 0x3FFFFFFF },
 
    { 0x0FFFFF68000000008, PteBase + 0x08 },
    { 0x0FFFFF68000000FFF, PteBase + 0xFFF },
    { 0x0FFFFF70000000000, PteBase + 0x8000000000 },
};

Spectre 缓解处理

从Windows 10 1809开始，Microsoft实施了针对Spectre漏洞的缓解措施，通过运行时修补内核代码来实现 Retpoline 技术。

典型的修补模式是将间接调用转换为直接调用到特定的防护函数。需要使用反汇编引擎(如hde64)检查指令模式，确认是否为合法的Spectre缓解修补。

结语

本文讨论的技术可基本实现对ntoskrnl.exe的完整性校验，但作为安全产品的完整方案还远远不够。为确保关键执行流程的安全，还需对更多系统组件执行更复杂的校验。

参考资料

更多【编程技术-与磁盘校验 ntoskrnl.exe 的内存完整性技术总结 (有代码)】相关视频教程：www.yxfzedu.com

编程技术-与磁盘校验 ntoskrnl.exe 的内存完整性技术总结 (有代码)

Windows内核安全: 与磁盘校验 ntoskrnl.exe 的内存完整性

背景介绍

内存与磁盘中ntoskrnl.exe的差异

完整性校验处理方法

基本流程

KeServiceDescriptorTable处理

不校验的节段

热修补处理

Spectre 缓解处理

结语

参考资料

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