免责声明
我并不是这个领域的专家，是通过大量的研究完成这篇文章。写这篇的目的仅仅是“理解虚拟化是怎样工作的，然后分享给大家”。
如果您在阅读中发现任何问题请告诉我，我会尽快改正。

在上一部分，我们已经讨论了处理器虚拟化。那么内存虚拟化呢？如果对内存随意修改，内存很可能会挂，所以在解释VMM怎样控制内存之前，我们先了解一下内存的结构。

内存通常被认为是线性分布的，内存单元用来存储字节，分布在0x00000000-0xFFFFFFFF的32位地址供CPU调用。

但对于现在的大多数计算机来说，以上描述已不适用（小型嵌入式系统有时会以这种方式处理内存以节省资源）。相反，现代计算机使用内存管理单元（MMU），它在CPU中负责将虚拟地址转化为物理地址（虚拟与虚拟化无关，只是名字相似）

地址的转换使用了分页机制，分页的理解重点在计算部分。我们取4KB的物理内存，将其基地址存储到一个表项中。这4KB内存称为一页，这个表称为页表（PT）。因特尔手册中定义一个PT可以保存512个页。按照每个页4KB计算，大概可寻址2MB的内存。但是我们想寻址更多内存，所以我们将512个页表的物理地址存储到一个页目录项（PDE）中。计算一下，每个PDE有1GB的内存。这些内存还不够，我们继续将512个PDE的物理地址存储到一个页目录指针表项（PDPTE）中。然后，将512个PDPTE的物理地址存储到一个PML4E中。

物理地址可以理解为“内存中的第0xffec1230个字节”。而虚拟地址则包含不同指针表的所有索引，用于将MMU指引到正确的字节。

64位虚拟地址（9位可表示0-511）的含义如下：

63-48位：16位地址扩展；

47-39位：9位PML4偏移；

38-30位：9位PDPT偏移；

29-21位：9位页目录偏移；

20-12位：9位页表偏移；

11-0位：12位页内偏移；

举个例子，虚拟地址0x00000000007FC031写成二进制形式为：

该虚拟地址的含义为：基于虚拟地址，MMU查找PML4的第一项（索引为0），保存着PDPT的物理地址。继续查找，PDPT的第一项保存着PD的物理地址。在PD中查找第四个PT，在PT中查找第509项的指针。该指针将MMU指引到一个页，该页的第50位表示读或写。

要时刻记得，每个表项的实际物理地址由两部分组成。存储在表项中的物理地址的前导位，加上虚拟地址的索引，这两部分共同构成一个有效的物理地址。

也许你已经知道，64位计算机的总线地址大多时候只使用48位。所以在实际的处理器中内存地址只有48位，而不是64位。这意味着指向下一表项的指针并没有64位，但每个表项是64位，所以下一表项的指针不能占用所有位。

实际上，这48位中，存储着最后一个指针的前36位，索引占9位，还余3位。这3位是填充位，如果索引由字节构成，这3位会用来表示索引。

分页机制有利有弊：内存管理单元（MMU）必须将虚拟地址转换为物理地址，这意味着处理器需要花更多时间访问内存。但同时，可以利用它做更多有趣的事。

因为指向下一表项的指针不能占用所有64位（只占用36位），剩下的位就用来做标记位。

每个页和它的前表项会分配一个权限级别U/S位（图中为红色）。权限级别为0，表示此页及其存储的数据、代码和表项都只能被内核或操作系统访问。这意味着如果处理器要请求内存数据，就必须处理操作系统或内核的代码，否则内存管理单元会产生页错误异常；权限级别为1，表示可以被用户应用访问。

R/W位（图中为蓝色）自然就是读/写标记位。

最后一位（图中为绿色）是禁止执行标记位，置1表示阻止对页的所有操作。这是一个安全标记位，可以用来防止恶意软件执行在进程数据段中的代码。

所以我们为什么要讨论这些呢？第一，这些是基础的计算机知识。第二，英特尔基于这些内容实现硬件的内存虚拟化。

梳理一下：

内存管理单元只负责将虚拟地址转换为物理地址，将数据传回处理器。配置所有页表并分配给正在运行的进程，仍然是由内核完成。

所以，如果在计算机中新建一个虚拟化用户，自然要配置页表。页表结构配置完成后，为了防止内存发生混乱，要设置用户对内存的访问权限级别。

过去，这些操作必须由VMM完成，通过影子页表将用户页转换为物理页，速度很慢。所以因特尔处理器添加了一个扩展页表（EPT），实现在MMU中转换，速度更快。

如果处理器处于VM-non root状态时用户请求内存，MMU会像往常一样首先计算用户物理地址。此时，MMU会查找一个特殊的指针“扩展页表指针“，它只有36位。接着，MMU会将用户物理地址的47-39位附加在后面，最后再加3位。

看起来很熟悉吧？转化过程还是一样的，只是MMU这次没有用虚拟地址来获取索引，而使用了用户物理地址。

就是通过这些方法，用户机内存映射到宿主机内存的过程中不会覆盖数据。主机可以控制用户机内存，而用户机甚至都不知道用了不同的页结构。

如果你之前不了解页的知识，这篇文章可能会读起来有些困难。我已经试着让文章容易理解，没有包含缓存、使用GDT的内存分段机制等内容。如果有什么问题，欢迎与我交流。

下一部分我准备写点VT-d的东西，但我实在厌倦了读因特尔手册。所以在空闲时候我想介绍一下运用了很多虚拟化技术的Qubes操作系统，或者写一个可以攻击到用户主机的漏洞利用。或者写一点POC Bluepill恶意软件，比如rootkit。

翻译：Green奇

校对：sudozhange

原文链接：https://0x00sec.org/t/a-lot-about-paging-a-little-about-virtualization-part-2/8868

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