Linux页面掩码：保护你的内存安全 (linux page mask)
随着现代计算机系统的复杂性增加，其中的重要资源——内存正在成为黑客们瞄准的目标。黑客们利用各种漏洞和攻击手段来窃取内存中的数据，并进行恶意操作。为了保护内存安全，Linux内核提供了一种叫做“页面掩码”的自我保护机制。本篇文章就将详细介绍Linux页面掩码的技术原理、实现方式以及使用方法。
一、什么是页面掩码？
在Linux内核中，页面掩码有时也被称为页面保护位（Page Attribute Table,PAT），是一种硬件提供的内存访问权限控制技术。其主要作用是通过修改内存页面的访问属性，限制用户或程序对内存页面的读写操作，从而保护内存的安全性。页面掩码技术被广泛应用于操作系统、虚拟化技术以及软件安全等领域。
二、页面掩码的技术原理
在Linux内核中，每个物理页面都有一个相关的页面框架结构（Page Frame Structure,PFS）。页面掩码技术就是通过修改PFS中的访问属性位来管理内存页面的权限。PFS中保存了许多内存页面的属性信息，包括页面是否被映射到进程的地址空间、页面是否缓存、页面是否是可交换的等。通过修改PFS中的一个标志位——页面保护位，可以实现对内存页面的访问控制。
具体来说，页面掩码技术包括以下三个步骤：
1.获取页面的PFS结构体。在Linux内核中，每个页面都有一个相关的PFS结构体，其中包含了许多内存页面的属性信息。我们可以使用以下宏定义获取页面的PFS结构体：
#define PADDR(page) ((unsigned long long)(page_to_phys(page)))
#define PFN(page) (unsigned long long)(page_to_pfn(page))
#define PFLAGS(page) (page->flags)
2.设置页面保护位。Linux内核提供了许多宏定义来设置页面保护位。其中，PAGE_READON宏定义用于表示页面只能进行读操作，PAGE_WRITEON宏定义用于表示页面只能进行写操作，PAGE_NOACCESS宏定义用于表示页面不可访问。我们可以使用以下宏定义设置页面的保护位：
#define set_page_prot(page, prot) do {PFLAGS(page) |= pgprot_val(prot);} while (0)
#define set_page_readonly(page) set_page_prot(page, PAGE_READON)
#define set_page_writeonly(page) set_page_prot(page, PAGE_WRITEON)
#define set_page_noaccess(page) set_page_prot(page, PAGE_NOACCESS)
3.访问内存页面。经过以上两步的操作，我们已经成功地修改了内存页面的访问权限。现在，我们可以正常地访问内存页面了。如果我们尝试访问一个被设置为PAGE_NOACCESS的页面，系统会立即发出一个异常，停止当前进程的运行。
三、页面掩码的实现方式
在Linux内核中，页面掩码技术有两种实现方式：PSE-36和PAE。其中，PSE-36（合并页表扩展-36位）是一种旧的32位内存地址扩展技术，可以支持更大64GB的内存。PSE-36使用了一种名为“物理页面扩展”的技术，允许操作系统将内存物理地址的高4位存储在页目录表项的高4位中。通过这种方式，可以使32位架构的计算机最多支持64GB的内存。但是，PSE-36技术的缺陷也十分明显，它只能支持32位内存地址空间，无法覆盖64位操作系统的需要。
为了克服PSE-36技术的限制，Linux内核引入了PAE（物理地址扩展）技术。PAE技术可以支持更大64TB的内存，可以满足64位操作系统对大内存的需求。PAE技术是通过增加一个PDPTE（二级页目录表项）来实现的。PDPTE中保存着PDE（一级页目录表项）的地址，同时还包含一个TAG字段，用于标识该PDPTE的属性信息。PAE技术将操作系统的地址空间从32位扩展到了36位，可以支持最多64TB的内存空间。
四、如何使用页面掩码技术
在Linux内核中，我们可以使用以下系统调用来设置内存页面的访问权限：
int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
其中，addr表示欲设置的内存区域的虚拟地址，len表示内存区域的大小，prot表示页面的访问属性，可以使用以下常量进行设置：
PROT_READ：表示页面可读取。
PROT_WRITE：表示页面可写入。
PROT_EXEC：表示页面可执行。
PROT_NONE：表示页面不可访问。
我们可以使用以下代码来进行测试：
#include
#include
#include
int mn()
{
char *buf;
buf = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (buf == MAP_FLED) {
printf(“mmap error.\n”);
return -1;
}
printf(“buf=%p\n”, buf);
strcpy(buf, “hello, world!\n”);
printf(“%s”, buf);
if (mprotect(buf, 4096, PROT_READ) != 0) {
printf(“mprotect error.\n”);
return -1;
}
printf(“%s”, buf);
return 0;
}
以上代码中，我们先使用系统调用mmap()来映射一个4KB的匿名内存区域，并将页面的访问属性设置为PROT_READ | PROT_WRITE。然后，我们向内存区域中写入一些数据，并将页面的访问属性修改为PROT_READ。我们再次输出内存区域的内容，可以看到程序被异常终止，表示页面访问被限制。这样，我们就成功地使用了mprotect()系统调用来保护内存页面的安全。
