• 突破Windows XP 4G内存限制续

上次经过一段时间的研究后，发现了通过修改ntkrnlpa.exe可以突破Windows XP 4G内存限制，完全使用4G以上物理内存（http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=137830），但是在测试过程中发现使用USB存储设备时会出现蓝屏等问题，后来因为太忙，也没能继续研究。最近难得短暂清闲，功夫不负有心人，花了一个多星期终于找到问题所在了，下面谈谈在探索过程中的一些心得。
1．首先替换usb相关驱动
既然一插U盘就蓝屏，而使用USB鼠标、摄像头等都没有问题，那么首先怀疑是usbstor.sys的问题。Windows 2003可以支持4G以上物理内存，那么我们将Windows 2003的USB驱动替换到XP上来，首先替换usbstor.sys，现象依旧。那么全部替换usb相关驱动，包括usbstor.sys、usbport.sys、usbhub.sys、usbehci.sys等，XP可以正常启动，USB设备也能使用，但经反复测试，发现使用U盘时有时还是会蓝屏。
2．是谁造成了内存访问越界？
种种蓝屏迹象表明，很可能是因为内存读写越界造成的。破解4G限制后，虽然物理地址扩展到32位以上，但是虚拟地址依然是32位的啊，使用虚拟地址的程序不可能造成内存访问越界啊。那么有哪些代码用到了物理地址呢？ 
首先想到的是内存分页管理，负责映射物理地址到虚拟地址空间，维护了一个物理内存的页帧数据库MmPfnDatabase，会不会是因为物理地址空间扩大后，这个页帧数据库并没有扩大，而导致映射4G以上物理内存时发生错误呢？
一番折腾，在MiInitMachineDependent函数中找到了如下代码

代码:
MmFreePagesByColor[0] = (PMMCOLOR_TABLES)&MmPfnDatabase[MmHighestPossiblePhysicalPage + 1];
看来XP对这个数据库空间还是有考虑的，验证一下
代码:
lkd> dd MmPfnDatabase
8088b0c8  818c6000 0000ff00 00000006 0000003f
lkd> dd MmHighestPossiblePhysicalPage
8088b120  00137fff 00137fff 000f7379 00000040
MMPFN结构体大小为1C字节
代码:
lkd> dt _MMPFN
nt!_MMPFN
   +0x000 u1               : __unnamed
   +0x004 PteAddress       : Ptr32 _MMPTE
   +0x008 u2               : __unnamed
   +0x00c u3               : __unnamed
   +0x010 OriginalPte      : _MMPTE
   +0x018 u4               : __unnamed
lkd> ?818c6000+(137fff+1)*1c
Evaluate expression: -2085724160 = 83ae6000
lkd> dd MmFreePagesByColor
80886388  83ae6000 83ae6300 c0883000 f77fffff
MmPfnDatabase确实是预留了足够大的空间，既然MmPfnDatabase空间足够大，那就不存在页面映射错误，还会是谁会直接操作物理地址呢？
3．谁动了我的物理地址？
感谢Geoff Chappell的一篇文章
《Licensed Memory in 32-Bit Windows Vista》
其中提到了微软官方关于Windows XP sp2以后版本无法显示全部物理内存的答复：
《The RAM reported by the System Properties dialog box and the System Information tool is less than you expect in Windows Vista or in Windows XP Service Pack 2 or later version》，
从这里又链接到完整版的介绍：
《Changes to Functionality in Microsoft Windows XP Service Pack 2
Part 3: Memory Protection Technologies》
其中讲到了
引用:
 The largest driver PAE compatibility issue involves direct memory access (DMA) transfers and map register allocation. Many devices that support DMA, usually 32-bit adapters, are not capable of performing 64-bit physical addressing
大意是说： PAE兼容的最大问题是驱动程序进行的直接内存访问（DMA）传输和映射寄存器分配。很多设备都支持DMA，但DMA往往为32位的，不能执行64位物理寻址。
那么我们遇到的问题很可能就是DMA的问题了，因为在DMA传输过程中，DMA不经过页表映射，直接访问物理地址。经过我们的4G内存限制破解后，物理地址范围扩大到了4G以上，PAE最大可以寻址64G（36位物理地址），如果驱动在请求DMA向4G以上物理地址传输数据时，DMA就会将36位地址截断为32位地址，从而将数据传输到错误的内存地址，导致蓝屏，难道我们只有祈求驱动分配4G以下物理内存了吗？DMA硬件都只能接受32位地址，在碰到36位地址时就无能为力了吗？当然不能！
4．双缓冲DMA传输
引用:
  The Windows 2000 Server family and later provide double-buffering for the DMA transaction by providing a 32-bit address that is indicated by a map register. The device can perform the DMA transaction to the 32-bit address and the kernel copies the memory to the 64-bit address that is provided to the driver.
Windows 2000 Server family及其以后的版本通过映射寄存器为DMA传输提供了双缓冲机制，也就是说，为每次请求DMA传输的缓冲区再分配一块位于32位物理地址空间的内存，让DMA将数据传输到这块低地址空间，内核再将这些数据复制到驱动提供的64位地址。所以尽管存在DMA硬件限制，32位Windows 2003依然能够正常使用4G以上内存。
5．难道是USB驱动不支持双缓冲映射？在向DMA写入物理地址时将36位物理地址截断了？那么逆向usb驱动，感谢tiamo对USB体系的分析
http://bbs3.driverdevelop.com/read.p...67&skinco=wind，
不然真是无从着手，USB数据传输时的调用堆栈如下：
代码:
b82540e0 f805a042 81fc29dc 81840c80 817e88f4 usbehci!EHCI_SubmitTransfer+0x53
b8254128 f805a74a 81fc2028 81840b08 804e3ec4 USBPORT!USBPORT_DmaEndpointActive+0x1f0
b8254154 f805cb7c 81fc2028 00000000 804e3ec4 USBPORT!USBPORT_DmaEndpointWorker+0x140
b825417c f805e4c3 81fc2028 00000003 00000001 USBPORT!USBPORT_CoreEndpointWorker+0x6d2
b82541f0 806f2a98 81fc2028 00000000 413e504d USBPORT!USBPORT_MapTransfer+0x76f
b825421c 8052e551 821c7788 81fc205c 00000001 hal!HalAllocateAdapterChannel+0x126
b8254234 f805e6df 821c7788 81fc2028 00000001 nt!IoAllocateAdapterChannel+0x2a
b8254278 f805f4d9 81fc2028 817adad0 804e3ec4 USBPORT!USBPORT_FlushMapTransferList+0x1b1
USBPORT.SYS通过调用nt!IoAllocateAdapterChannel请求DMA通道，并执行回调函数USBPORT_MapTransfer，原型如下：
代码:
signed int __stdcall USBPORT_MapTransfer(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP CurrentIrp, PVOID MapRegisterBase, PTRANSFER pTransfer)
MapRegisterBase即为映射寄存器基址，其实映射寄存器并非为硬件寄存器，而是指向一块内存映射区域，MapRegisterBase指向了一个TRANSLATION_ENTRY结构体的列表，
TRANSLATION_ENTRY结构体如下
代码:
typedef struct _TRANSLATION_ENTRY {
    PVOID VirtualAddress;
    ULONG PhysicalAddress;
    ULONG Index;
} TRANSLATION_ENTRY, *PTRANSLATION_ENTRY;
这个结构体中的VirtualAddress 和PhysicalAddress指向了系统预先分配好的4G以下物理内存，用来作为双缓冲的备份缓冲区。在调用IoAllocateAdapterChannel时指定要申请的映射寄存器的数量，在USBPORT_MapTransfer中就可以通过MapRegisterBase指针使用申请数量的TRANSLATION_ENTRY结构体列表。
USBPORT_MapTransfer会调用hal!IoMapTransfer，hal!IoMapTransfer大致执行路径如下：
代码:
__int64 __stdcall IoMapTransfer(PADAPTER_OBJECT AdapterObject, PMDL Mdl, PVOID MapRegisterBase, PVOID CurrentVa, PULONG Length, BOOLEAN WriteToDevice)
if ( MapRegisterBase )
{
    result = HalpMapTransfer(AdapterObject, Mdl, MapRegisterBase, CurrentVa, Length, WriteToDevice);
}
else
{
计算缓冲区Mdl中的连续物理内存块，返回64位物理基址
}
  return result;
}
通过IoMapTransfer得到要传递给DMA的物理地址，如果MapRegisterBase 为0，就直接计算缓冲区Mdl中的连续物理内存块，返回64位物理基址，这个地址来自于Mdl，不能保证它是否位于4G以下物理地址。如果MapRegisterBase不为0，则调用hal! HalpMapTransfer。
在HalpMapTransfer中，
代码:
PHYSICAL_ADDRESS
HalpMapTransfer(
    IN PADAPTER_OBJECT AdapterObject,
    IN PMDL Mdl,
    IN PVOID MapRegisterBase,
    IN PVOID CurrentVa,
    IN OUT PULONG Length,
    IN BOOLEAN WriteToDevice
)
{
if ((ULONG) MapRegisterBase & NO_SCATTER_GATHER
                && transferLength < *Length) {

        logicalAddress = translationEntry->PhysicalAddress + pageOffset;
        translationEntry->Index = COPY_BUFFER;
        index = 0;
        transferLength = *Length;
        useBuffer = TRUE;
    }
if (useBuffer  &&  WriteToDevice) {
        HalpCopyBufferMap(
            Mdl,
            translationEntry + index,
            CurrentVa,
            *Length,
            WriteToDevice
            );
    }
}
如果MapRegisterBase不为0，且满足一定条件，就设置useBuffer为TRUE，useBuffer就是启用双缓冲的标志，如果useBuffer为TURE，并且是从内存写入到设备（WriteToDevice），那么就将数据复制到映射缓存（因为读取过程不涉及到DMA操作，所有不需要映射缓存参与）。看来，影响是否使用双缓冲的关键参数为MapRegisterBase ，只有MapRegisterBase 不为0，HalpMapTransfer才会启用双缓冲机制，调用HalpCopyBufferMap将64位物理地址缓冲区拷贝到映射寄存器指向的位于4G以下地址空间的缓冲存。
VMWare里调试一下，断点下在USBPORT_MapTransfer，MapRegisterBase还真为0，既然MapRegisterBase来自于nt!IoAllocateAdapterChannel，那么继续到这个函数中去寻找答案，在nt!IoAllocateAdapterChannel中发现如下代码：
代码:
if ( NumberOfMapRegisters && AdapterObject->NeedsMapRegisters )
{
MasterAdapter = AdapterObject->MasterAdapter;
MapRegisterBase = (int)((char *)MasterAdapter->MapRegisterBase + 12 * MapRegisterId);
}
else
{
AdapterObject->MapRegisterBase = 0;
AdapterObject->NumberOfMapRegisters = 0;
}
从条件语句看，只要NumberOfMapRegisters为0或者AdapterObject->NeedsMapRegisters为0二者之一满足条件，AdapterObject->MapRegisterBase = 0都会执行。NumberOfMapRegisters为申请的映射寄存器数量，这个值肯定不为0，那么只有AdapterObject->NeedsMapRegisters为0了。AdapterObject结构体为ADAPTER_OBJECT，是USBPORT.SYS在系统启动的时候在USBPORT!USBPORT_StartDevice函数中调用nt!IoGetDmaAdapter获取的，nt!IoGetDmaAdapte最终调用了hal! HalGetAdapter，原型如下：
代码:
PADAPTER_OBJECT HalGetAdapter(PDEVICE_DESCRIPTION DeviceDescription, PULONG NumberOfMapRegisters)
DeviceDescription为总线驱动程序发送的一些生成ADAPTER_OBJECT的参数，NumberOfMapRegisters是个指针，用来返回驱动能使用的最大的映射寄存器数量。
在HalGetAdapter函数中发现了如下代码：
代码:
if ( ScatterGather && (LessThan16Mb || InterfaceType == Eisa || InterfaceType == PCIBus) )
{
    MapRegistersNeed = 0;
}
ScatterGather为分散\聚集模式，一般都为TRUE，LessThan16Mb一般为FALSE，现在基本没有16M以下内存的机器了吧，关键是InterfaceType，如果是Eisa或者PCIBus任意一种，MapRegistersNeed都会设为0，那么双缓冲模式就不会被启动。现在我们的机器一般都是使用PCI总线，而USB总线是挂在PCI总线下的，所以就不会启用双缓冲了。那Windows 2003里对应的代码是怎样的呢？
代码:
if ( bScatterGather
    && (!HalpPhysicalMemoryMayAppearAbove4GB || DevDesc->Dma64BitAddresses)
    && (LessThan16Mb || InterfaceType == Eisa || InterfaceType == PCIBus) )
{
    MapRegistersNeed = 0;
}
原来Windows 2003多加了一个判断HalpPhysicalMemoryMayAppearAbove4GB和DevDesc->Dma64BitAddresses，按照2003的逻辑，如果我们的机器物理地址空间大于4GB了，并且DMA硬件不支持64位地址，那么就会直接开启双缓冲，而不管总线是什么类型，或者其他的什么条件。XP上这段程序是建立在只有32位物理地址的前提下，PCI 总线和Eisa总线的DMA都支持到32位的，所以不需要双缓冲机制。
既然关键点找到了，那就patch吧jz改成jmp。此外还要注意Windows 2003在多个地方判断了HalpPhysicalMemoryMayAppearAbove4GB这个标志，涉及到修改的地方主要在HalInitSystem里面。由于XP原来主要工作于32位物理地址空间，现在地址空间变大，启用了双缓冲模式，所有相应参数要改大：
HalpMapBufferSize为映射缓存大小，原来为0x10000，改为0x30000
SizeOfBitMap为映射寄存器使用位图大小，原来为0x10，改为0x30
HalInitSystem调用了HalpAllocPhysicalMemory申请映射缓存，物理内存少于4G时，申请参数为
HalpAllocPhysicalMemory(LoaderBlock, 0x1000000u, 0x10u, 1);
即在物理地址0x1000000u以下的空间申请0x10u页，最后一个参数表示是否64k对齐。而当物理内存大于4G时，Windows 2003申请参数为
HalpAllocPhysicalMemory(LoaderBlock, 0xFFFFFFFFu, 0x30u, 1);
即在4G以下物理地址空间申请0x30u页，64k对齐。汇编代码改动结果如下：
代码:
 push    1
 push    10h
 push    1000000h
 push    ebx
 mov     DefaultSizeOfBitMap, 40h
 mov     esi, 10000h
 call    _HalpAllocPhysicalMemory@16
 改为
代码:
 push    1
 push    30h
 push    FFFFFFFFh
 push    ebx
 mov     DefaultSizeOfBitMap, 4000h
 mov     esi, 30000h
 call    _HalpAllocPhysicalMemory@16
这就搞定了，对了，改完hal.dll一定要重新计算校验和，不然会启动失败。
搞到最后，原来还是hal.dll的问题，还白费力气，研究了半天usb驱动。既然是hal.dll的问题，为什么硬盘、网卡等等这些使用DMA的设备就没有引发系统蓝屏呢？难道说这些驱动在一开始发起请求的时候就总是申请4G以下物理内存来进行DMA操作？或者是其他设备的DMA硬件已经都支持36位以上寻址了？还有待去考证。
总算搞完了，希望这次补丁能够更加稳定些，还有问题的话不知道什么时候再能去解决了。在此感谢我敬爱的领导兼导师，感谢他把我领进ROOTKIT的大门，感谢他的包容和理解，感谢他对我年轻气盛的容忍和悉心开导。不玩了，好好工作，努力干活。
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