PHP JIT 代码缓存保护：利用 mprotect 系统调用防止 JIT 区域被恶意写入
大家好，今天我们要深入探讨一个非常重要的 PHP 安全议题：PHP JIT 代码缓存的保护。具体来说，我们将重点关注如何利用 mprotect 系统调用来防止 JIT 区域被恶意写入，从而提高 PHP 应用程序的安全性。
1. 背景：PHP JIT 和安全风险
PHP 8 引入了 JIT (Just-In-Time) 编译器，这显著提高了 PHP 应用程序的性能。JIT 编译器将部分 PHP 代码在运行时编译成机器码，并将其存储在内存的特定区域，也就是 JIT 代码缓存。CPU 直接执行这些机器码，避免了每次都解释执行 PHP 代码的开销。
然而，JIT 的引入也带来了一些新的安全风险。如果攻击者能够找到方法修改 JIT 代码缓存中的机器码，他们就可以执行任意代码，从而控制整个 PHP 进程甚至服务器。这种攻击方式通常被称为 JIT 喷射攻击。
因此，保护 JIT 代码缓存免受恶意写入至关重要。
2. mprotect 系统调用：内存保护的基石
mprotect 是一个 POSIX 标准的系统调用，用于修改进程的内存区域的保护属性。简单来说，它可以控制一个内存区域是否可读、可写、可执行。
mprotect 的函数原型如下：
#include <sys/mman.h>
int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);addr: 要修改保护属性的内存区域的起始地址。这个地址必须是系统页面大小的整数倍。len: 要修改保护属性的内存区域的长度，以字节为单位。-
prot: 新的保护属性。它是一个位掩码，可以包含以下标志：PROT_READ: 允许读取。PROT_WRITE: 允许写入。PROT_EXEC: 允许执行。PROT_NONE: 禁止所有访问。
mprotect 返回 0 表示成功，返回 -1 表示失败，并设置 errno 变量来指示错误原因。
3. 利用 mprotect 保护 JIT 代码缓存
理想情况下，JIT 代码缓存应该是可执行的，但不可写的。这意味着 CPU 可以执行其中的机器码，但任何程序都不能修改它。我们可以使用 mprotect 来实现这一点。
以下是一种基本的实现思路：
- 分配 JIT 代码缓存： PHP 在启动时会分配一块内存用于存储 JIT 编译后的机器码。我们需要找到这块内存的起始地址和长度。
- 设置初始权限： 初始时，JIT 代码缓存可能需要同时具有读、写和执行权限，以便 JIT 编译器可以写入机器码。
- 修改权限为只读执行： 当 JIT 编译器完成对某个代码块的编译后，我们应该立即使用
mprotect将该代码块的权限修改为只读执行 (PROT_READ | PROT_EXEC)。 - 需要写入时临时修改权限： 如果 JIT 编译器需要修改已经编译的代码块（例如，进行优化），我们需要先使用
mprotect将权限修改为读写执行 (PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC)，完成修改后再恢复为只读执行。
4. 代码示例：模拟 JIT 代码缓存保护
为了更好地理解如何使用 mprotect，我们创建一个简单的 C 程序来模拟 JIT 代码缓存的保护过程。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
// 获取系统页面大小
size_t get_page_size() {
return sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
}
// 将地址对齐到页面大小
void* align_to_page(void* addr, size_t page_size) {
uintptr_t ptr = (uintptr_t)addr;
return (void*)(ptr - (ptr % page_size));
}
int main() {
size_t page_size = get_page_size();
size_t jit_size = page_size * 2; // 分配两个页面大小的内存
// 1. 分配 JIT 代码缓存
void* jit_code = mmap(NULL, jit_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (jit_code == MAP_FAILED) {
perror("mmap failed");
return 1;
}
printf("JIT code memory allocated at: %p, size: %zun", jit_code, jit_size);
// 2. 写入一些模拟的机器码 (这里简单地写入一些字节)
memset(jit_code, 0x90, jit_size); // 0x90 是 NOP 指令
printf("Simulated machine code written to JIT area.n");
// 3. 使用 mprotect 将 JIT 代码缓存设置为只读执行
void* aligned_jit_code = align_to_page(jit_code, page_size);
size_t aligned_jit_size = jit_size + ((uintptr_t)jit_code - (uintptr_t)aligned_jit_code);
if (mprotect(aligned_jit_code, aligned_jit_size, PROT_READ | PROT_EXEC) == -1) {
perror("mprotect failed");
munmap(jit_code, jit_size);
return 1;
}
printf("JIT code memory protected (read and execute only).n");
// 4. 尝试执行 JIT 代码
typedef void (*jit_func_t)();
jit_func_t func = (jit_func_t)jit_code;
printf("Executing JIT code...n");
func(); // 这应该可以正常执行，因为有 PROT_EXEC
// 5. 尝试写入 JIT 代码 (这应该会导致程序崩溃)
printf("Trying to write to JIT code memory (this should cause a crash)...n");
// *(char*)jit_code = 0x41; // 会导致 SIGSEGV
// 6. 模拟 JIT 编译器需要修改代码的情况
printf("Simulating JIT compiler needing to modify code...n");
if (mprotect(aligned_jit_code, aligned_jit_size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) == -1) {
perror("mprotect failed to re-enable write access");
munmap(jit_code, jit_size);
return 1;
}
printf("Write access re-enabled.n");
// 现在可以安全地写入
memset(jit_code, 0xc3, jit_size); // 0xc3 是 RET 指令
printf("Modified JIT code.n");
// 再次保护
if (mprotect(aligned_jit_code, aligned_jit_size, PROT_READ | PROT_EXEC) == -1) {
perror("mprotect failed to re-protect");
munmap(jit_code, jit_size);
return 1;
}
printf("JIT code memory re-protected.n");
// 再次执行，这次会执行 RET 指令
printf("Executing modified JIT code...n");
func();
// 7. 释放内存
munmap(jit_code, jit_size);
printf("JIT code memory freed.n");
return 0;
}代码解释：
- 分配内存： 使用
mmap分配一块内存，初始权限为读写 (PROT_READ | PROT_WRITE)。 - 写入模拟代码： 使用
memset向分配的内存写入一些字节，模拟 JIT 编译器写入机器码。 - 保护内存： 使用
mprotect将内存权限修改为只读执行 (PROT_READ | PROT_EXEC)。注意，mprotect需要的地址和长度必须是页面大小的整数倍。因此，我们使用了align_to_page函数确保起始地址对齐到页面大小。 - 尝试执行： 将分配的内存地址转换为函数指针，并调用它。由于内存具有执行权限，因此可以正常执行。
- 尝试写入： 尝试向分配的内存写入数据。由于内存现在是只读的，因此这会导致程序崩溃 (Segmentation Fault)。
- 临时修改权限： 模拟 JIT 编译器需要修改代码的情况，先使用
mprotect重新启用写入权限，修改完成后再使用mprotect恢复只读执行权限。 - 释放内存： 使用
munmap释放分配的内存。
编译和运行：
gcc -o jit_protect jit_protect.c
./jit_protect运行结果会显示 JIT 代码缓存的地址，以及保护和重新保护的过程。 尝试取消注释 *(char*)jit_code = 0x41; 一行，会观察到程序崩溃。
5. 在 PHP 源码中应用 mprotect
将上述原理应用到 PHP 源码中，需要修改 JIT 编译器的相关代码。具体来说，我们需要：
- 找到 JIT 代码缓存的分配位置： 在 PHP 源码中找到分配 JIT 代码缓存的函数。这通常涉及到
mmap的调用。 - 在编译后立即保护： 在 JIT 编译器完成对某个代码块的编译后，立即调用
mprotect将该代码块的权限修改为只读执行。 - 在需要修改时临时解保护： 如果 JIT 编译器需要修改已经编译的代码块，先调用
mprotect将权限修改为读写执行，完成修改后再恢复为只读执行。
这需要深入理解 PHP JIT 编译器的内部机制。 这通常需要在 zend_jit.c 等相关文件中进行修改。
6. 挑战与注意事项
- 页面对齐：
mprotect需要的地址和长度必须是页面大小的整数倍。这需要在代码中进行适当的处理，确保地址对齐。 - 性能影响： 频繁地调用
mprotect可能会带来一定的性能开销。我们需要仔细权衡安全性和性能。 - 兼容性：
mprotect是一个 POSIX 标准的系统调用，但在某些平台上可能存在差异。我们需要确保代码的兼容性。 - 错误处理：
mprotect调用可能会失败。我们需要检查返回值，并进行适当的错误处理。 - 竞争条件： 在多线程环境中，需要注意 JIT 编译和内存保护之间的竞争条件，确保线程安全。
7. 其他安全措施
除了 mprotect 之外，还有其他一些安全措施可以用来保护 JIT 代码缓存：
- 代码签名： 对 JIT 编译后的机器码进行签名，以防止未经授权的修改。
- 地址空间布局随机化 (ASLR)： 将 JIT 代码缓存的地址随机化，以增加攻击的难度。
- 控制流完整性 (CFI)： 确保程序只能按照预期的控制流执行，防止攻击者跳转到任意代码位置。
- 沙箱化： 将 JIT 编译器运行在一个沙箱环境中，限制其对系统资源的访问。
8. 代码之外的思考
保护 JIT 代码缓存不仅仅是一个技术问题，更是一个安全意识问题。开发者应该充分意识到 JIT 带来的安全风险，并在设计和开发过程中采取相应的安全措施。
总结：使用 mprotect 是 JIT 代码缓存保护的重要手段
通过本讲座，我们了解了 PHP JIT 的安全风险，以及如何利用 mprotect 系统调用来保护 JIT 代码缓存。虽然实现细节可能比较复杂，但基本的原理是清晰的：控制内存区域的访问权限，防止恶意写入。 使用 mprotect 能够有效地提升 PHP 应用程序的安全性，减少受到 JIT 喷射攻击的风险。