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[原创]为什么在ASLR机制下DLL文件在不同进程中加载的基址相同
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发表于: 2023-11-18 23:40
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1.1 打开 Visual Studio 创建一个新的 DLL 项目。
1.2 在"dllmain.cpp" 添加以下的代码
1.3 生成 DLL 文件，得到一个名为 "InjectDll.dll" 的 Dll 文件。
1.4 运行以下代码，将 Dll 文件注入到记事本进程中
总结一下 Dll 注入步骤
● 定位目标进程：使用Windows API函数（如FindWindow）或其他技术来获取目标进程的句柄或进程ID；
● 打开目标进程：使用OpenProcess函数打开目标进程，获取进程的句柄，以便后续操作；
● 在目标进程中分配内存：使用VirtualAllocEx函数在目标进程中分配一块内存，用于存储DLL路径或其他数据；
● 将DLL路径写入目标进程：使用WriteProcessMemory函数将DLL路径或其他数据写入目标进程的内存空间；
● 获取函数地址：获取所需函数（例如LoadLibrary）在目标进程所加载的模块中的地址，通常使用GetModuleHandle和GetProcAddress函数；
● 在目标进程中创建远程线程：使用CreateRemoteThread函数在目标进程中创建一个远程线程，该线程执行加载DLL的函数，并将DLL路径作为参数传递；
● 等待远程线程退出：使用WaitForSingleObject函数等待远程线程退出，确保注入操作完成；
● 清理资源：关闭句柄、释放内存等，以确保不会产生资源泄漏。
DLL 注入之所以能够实现是因为获取的LoadLibrary()函数地址能够在目标进程中使用，其背后的原理是kernel32.dll在不同进程中的加载基址是相同的。
ASLR（Address Space Layout Randomization）是一种用于增加系统安全性的技术，它通过随机化内存地址的分配，使攻击者更难以利用已知的内存布局漏洞进行攻击。实际上ASLR的概念在Windows XP时代就已经提出来了，只不过XP上面的ASLR功能很有限，只是对PEB和TEB进行了简单的随机化处理，而对于模块的加载基址没有进行随机化处理，直到Windows Vista出现后，ASLR才真正开始发挥作用。
微软从Visual Studio 2005 SP1开始加入了/dynamicbase链接选项使编译好的程序支持随机基址，只需要在编译程序的时候启用/dynmicbase链接选项。（Visual Studio 2022 可以在项目属性中设置：配置属性——链接器——高级——随机基址）
PE文件在它的PE头将 IMAGE_DLL_CHARACTERISTICS_DYNAMIC_BASE设置为1，则说明该 PE文件支持ASLR，如下图所示。
ALSR 会随机化的地址包括：
● 堆地址
● 栈地址
● PE文件加载基址
● PEB和TEB地址
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ALSR 机制能保证在每次系统启动后，系统DLL文件在进程中的加载基址不会是默认的地址0x10000000（EXE文件的默认加载基址是0x00400000），而是一个随机的地址。系统重启后这个加载基址会再次变化，ASLR的出现使得shellcode中的关键跳转只能在系统重启前，甚至只有程序的本次运行时才能执行，这使得exploit的难度大大增加。
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在ALSR开启的状态下，DLL 注入依然能实现是因为DLL文件在不同进程中加载的基址虽然经过了随机化的处理，但系统DLL文件(如system32目录下的DLL)在各个进程中通常加载地址仍然是相同的，以保证不同进程能互相调用这些系统DLL提供的 API。
其中更深层次的原因是操作系统需要支持写时复制机制（copy-on-write）。写时复制是现代操作系统的一个重要特性。操作系统使用页表（Page Table）来将进程的虚拟地址映射到物理地址。页表是一种数据结构，它存储了虚拟地址和物理地址之间的映射关系。
A 进程和 B 进程共享同一个 DLL 时，它们的虚拟地址空间中的虚拟地址会指向相同的物理内存页。这意味着它们共享同一份物理内存。当 A 进程尝试对 DLL 内存页进行写操作时，操作系统会触发写时复制，将共享的物理内存页复制一份，创建一个新的物理页供 A 进程使用。A 进程会拥有自己的独立副本，而进程B仍然使用原始的物理内存页。
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Copy-On-Write机制触发并不会影响虚拟地址空间的映射关系。因此，在Copy-On-Write机制中，虚拟地址空间中DLL的加载基址不会发生变化。A 进程仍然可以通过原始的加载基址访问和调用DLL中的代码和数据。
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当多个进程加载同一个 DLL 文件并且它们的加载基址保持相同时，可以更好地利用 Copy-On-Write 机制。这样可以实现代码和只读数据的共享，延迟数据的复制，并提高内存利用率和性能。如果 DLL 加载地址不一致，Copy-On-Write 无法共享内存页,每个进程都需要单独复制 DLL 的只读内存,失去了内存优化的效果。
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这里稍微延申一下，并不是多个进程中相同的虚拟地址都能映射到相同的物理地址。前面已经提到，每个进程的虚拟地址和物理地址的映射关系由页表记录，页表由操作系统内核维护。当操作系统决定切换到一个新的进程时，它会保存当前进程的上下文（包括寄存器和其他相关状态），然后加载新进程的上下文。
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在上下文切换过程中，操作系统会切换页表，即将当前进程的页表替换为新进程的页表。也就是说，不同进程中相同的虚拟地址是通过不同的页表映射到物理地址的，所以虚拟地址相同，物理地址不一定相同。在某些特定情况下，不同进程中的相同虚拟地址可能会映射到相同的物理地址，例如不同进程共享内存。
在 PE 文件中有一个加载基址（Image Base）的字段，它指定了 DLL 文件在内存中的起始地址。操作系统在加载DLL文件时，首先会检查文件头中的标志，确定是否启用了ASLR或者是否存在重定位表。如果存在重定位表，操作系统会遍历重定位表中的每个条目。重定位表中的每个条目包含了两个关键信息：
操作系统使用以下公式计算PE 文件中需要进行重定位的虚拟地址:
在相同的操作系统和相同的加载条件下，相同的DLL文件在不同进程中的重定位计算是一致的。因此，无论 ASLR 是否启用，PE 文件的加载机制决定了 DLL 文件在各个进程中的加载基址是相同的。
综合这三个角度，虽然ASLR在操作系统的进程管理中引入了加载基址的随机化，但由于Copy-On-Write和PE文件加载机制的作用，同一DLL文件在不同进程中的加载基址仍然是相同的。这有助于确保不同进程中的DLL文件内部结构保持一致，同时确保进程间的数据隔离，提高系统的整体安全性和资源使用效率。
参考：
1.dll注入：系统kernel32.dll为什么在每个进程中的基址相同
2.《0 day 安全》
3. 《Windows 内核原理与实现》
// dllmain.cpp : 定义 DLL 应用程序的入口点。
#include "pch.h"BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,
DWORD ul_reason_for_call,
LPVOID lpReserved
)
{ switch (ul_reason_for_call)
{
case DLL_PROCESS_ATTACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
case DLL_THREAD_ATTACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
case DLL_THREAD_DETACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
case DLL_PROCESS_DETACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
}
return TRUE;
}// dllmain.cpp : 定义 DLL 应用程序的入口点。
#include "pch.h"BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,
DWORD ul_reason_for_call,
LPVOID lpReserved
)
{ switch (ul_reason_for_call)
{
case DLL_PROCESS_ATTACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
case DLL_THREAD_ATTACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
case DLL_THREAD_DETACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
case DLL_PROCESS_DETACH:
MessageBoxA(NULL, "您的进程已被注入", "注入警告", NULL);
break;
}
return TRUE;
}#include <Windows.h>#include <stdio.h>int main()
{ // 获取目标进程的句柄
HWND hWnd = FindWindow(NULL, L"无标题 - Notepad");
if (hWnd == NULL) {
printf("未找到目标进程\n");
return 1;
}
DWORD processId;
GetWindowThreadProcessId(hWnd, &processId);
HANDLE hProcess = OpenProcess(PROCESS_ALL_ACCESS, FALSE, processId);
if (hProcess == NULL) {
printf("无法打开目标进程\n");
return 1;
}
// 在目标进程中分配内存
LPVOID pRemoteBuffer = VirtualAllocEx(hProcess, NULL, MAX_PATH, MEM_COMMIT, PAGE_READWRITE);
if (pRemoteBuffer == NULL) {
printf("无法在目标进程中分配内存\n");
return 1;
}
// 将DLL路径写入目标进程
char dllPath[] = "E:\\Test\\InjectDll.dll";
if (!WriteProcessMemory(hProcess, pRemoteBuffer, dllPath, sizeof(dllPath), NULL)) {
printf("无法写入目标进程内存\n");
return 1;
}
// 获取LoadLibrary函数的地址
HMODULE hKernel32 = GetModuleHandle(L"kernel32.dll");
if (hKernel32 == NULL) {
printf("未找到kernel32.dll\n");
return 1;
}
FARPROC pLoadLibrary = GetProcAddress(hKernel32, "LoadLibraryA");
if (pLoadLibrary == NULL) {
printf("未找到LoadLibrary函数\n");
return 1;
}
// 在目标进程中调用LoadLibrary函数加载DLL
HANDLE hThread = CreateRemoteThread(hProcess, NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)pLoadLibrary, pRemoteBuffer, 0, NULL);
if (hThread == NULL) {
printf("无法在目标进程中创建远程线程\n");
return 1;
}
printf("DLL注入成功\n");
// 等待远程线程退出
WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);
// 清理资源
CloseHandle(hThread);
VirtualFreeEx(hProcess, pRemoteBuffer, 0, MEM_RELEASE);
CloseHandle(hProcess);
return 0;
}#include <Windows.h>#include <stdio.h>int main()
{ // 获取目标进程的句柄
HWND hWnd = FindWindow(NULL, L"无标题 - Notepad");
if (hWnd == NULL) {
printf("未找到目标进程\n");
return 1;
}
DWORD processId;
GetWindowThreadProcessId(hWnd, &processId);
HANDLE hProcess = OpenProcess(PROCESS_ALL_ACCESS, FALSE, processId);
if (hProcess == NULL) {
printf("无法打开目标进程\n");
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