Linux arm64 set_memory_ro/rw函式

在 Linux 核心 中，set_memory_ro 和 set_memory_rw 是兩個用於設定記憶體區域訪問許可權的重要函式。它們主要用於核心程式碼和驅動程式中，以實現記憶體保護和增強系統安全性。本文將詳細介紹這兩個函式的作用、使用方法及其在核心中的應用場景，並探討其潛在的安全風險。🔒💻

📌 1. 基本概念

1.1 記憶體訪問許可權

在作業系統中，記憶體區域的訪問許可權決定了哪些操作可以在該區域執行。常見的許可權包括：

只讀（Read-Only）：只能讀取資料，不能修改。
讀寫（Read-Write）：可以讀取和修改資料。

1.2 set_memory_ro 和 set_memory_rw 函式

set_memory_ro：將指定的記憶體區域設定為只讀。
set_memory_rw：將指定的記憶體區域設定為 可讀寫。

這兩個函式透過修改記憶體頁的許可權，來控制對記憶體區域的訪問。

🛠️ 2. 函式定義與引數解析

2.1 set_memory_ro

int set_memory_ro(unsigned long addr, int numpages);

addr：需要設定為只讀的記憶體區域的起始地址。
numpages：從起始地址開始，設定為只讀的頁數。
返回值：成功返回 0，失敗返回負的錯誤碼。

2.2 set_memory_rw

int set_memory_rw(unsigned long addr, int numpages);

addr：需要設定為可讀寫的記憶體區域的起始地址。
numpages：從起始地址開始，設定為可讀寫的頁數。
返回值：成功返回 0，失敗返回負的錯誤碼。

🔍 3. 使用場景

3.1 核心程式碼保護

在核心中，關鍵程式碼區域通常需要防止被意外或惡意修改。透過將這些區域設定為只讀，可以有效防止記憶體篡改攻擊。例如：

unsigned long code_start = (unsigned long)__start_of_kernel_code;
int pages = calculate_pages(__end_of_kernel_code - __start_of_kernel_code);

if (set_memory_ro(code_start, pages) != 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to set memory as read-only\n");
}

3.2 驅動程式更新

驅動程式在執行時可能需要更新其程式碼或資料。此時，可以臨時將記憶體區域設定為 可讀寫，完成更新後再設定回只讀，以保證更新過程的安全性。

unsigned long driver_code = (unsigned long)__start_of_driver_code;
int pages = calculate_pages(__end_of_driver_code - __start_of_driver_code);

// 設定為可讀寫
if (set_memory_rw(driver_code, pages) != 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to set memory as read-write\n");
}

// 更新驅動程式碼...

// 設定回只讀
if (set_memory_ro(driver_code, pages) != 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to set memory as read-only\n");
}

📊 4. 功能對比表

函式名	功能描述	主要用途
`set_memory_ro`	設定記憶體區域為只讀	保護關鍵核心程式碼，防止篡改
`set_memory_rw`	設定記憶體區域為可讀寫	臨時修改核心或驅動程式程式碼

🧩 5. 記憶體許可權設定的原理

記憶體許可權的設定依賴於 分頁機制，透過修改頁表項中的許可權位來實現。具體步驟如下：

獲取頁表項：透過虛擬地址 addr 獲取對應的頁表項。
修改許可權位：根據需要設定為只讀或可讀寫，修改頁表項中的相應許可權位。
重新整理快取：確保修改後的許可權立即生效，防止舊許可權快取導致的問題。

數學公式解釋

許可權修改可以抽象為以下關係：

[
\text{new\_permissions} =
\begin{cases}
\text{Read-Only} & \text{使用 set\_memory\_ro} \
\text{Read-Write} & \text{使用 set\_memory\_rw}
\end{cases}
]

其中，new_permissions 決定了後續對該記憶體區域的訪問行為。

📈 6. 工作流程圖

以下是使用 set_memory_ro 和 set_memory_rw 的典型工作流程：

graph TD
    A[開始] --> B[確定記憶體區域地址和頁數]
    B --> C{設定許可權為只讀？}
    C -->|是| D[呼叫 set_memory_ro 函式]
    C -->|否| E[呼叫 set_memory_rw 函式]
    D --> F[檢查返回值]
    E --> F
    F --> G{是否成功？}
    G -->|是| H[繼續執行]
    G -->|否| I[處理錯誤]
    H --> J[結束]
    I --> J

🔒 7. 安全性與風險

7.1 優點

記憶體保護：防止關鍵核心程式碼被篡改，提高系統穩定性和安全性。
靈活性：允許在必要時臨時修改記憶體區域，實現動態更新。

7.2 潛在風險

被惡意利用：惡意驅動可能濫用 set_memory_rw 修改其他核心程式碼，實現攻擊。
許可權誤設定：不正確的許可權設定可能導致系統不穩定或崩潰。

風險防範措施

嚴格許可權管理：僅允許可信程式碼呼叫這些函式，防止惡意利用。
程式碼審計：定期審查核心和驅動程式碼，確保許可權設定的正確性。
最小許可權原則：儘量減少需要修改記憶體許可權的程式碼路徑，降低風險。

📝 8. 示例程式碼詳解

8.1 設定記憶體為只讀

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>

int make_memory_read_only(unsigned long addr, int numpages) {
    int ret = set_memory_ro(addr, numpages);
    if (ret != 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to set memory at 0x%lx to read-only\n", addr);
    } else {
        printk(KERN_INFO "Memory at 0x%lx set to read-only successfully\n", addr);
    }
    return ret;
}

解釋說明：

引入標頭檔案：<linux/mm.h> 提供了記憶體管理相關函式。
函式實現：
- 呼叫 set_memory_ro 設定記憶體為只讀。
- 根據返回值列印日誌，便於除錯和錯誤排查。

8.2 設定記憶體為可讀寫

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>

int make_memory_read_write(unsigned long addr, int numpages) {
    int ret = set_memory_rw(addr, numpages);
    if (ret != 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to set memory at 0x%lx to read-write\n", addr);
    } else {
        printk(KERN_INFO "Memory at 0x%lx set to read-write successfully\n", addr);
    }
    return ret;
}