x86 中 DPL 和 RPL 的区别

Question

阅读英特尔 x86 手册和其他来源，我不明白 DPL（描述符特权级别）和 RPL（请求特权级别）之间的区别。 为什么有必要两者兼得？ 非常感谢

Answer 1

好问题。

CPL 与 DPL 与 RPL

为了简单起见，让我们首先考虑 CPL 和 DPL：

• CPL 是您当前的权限级别。
• DPL 是段的特权级别。它定义了访问段所需的最低¹权限级别。
• 权限级别范围为 0-3；较低的数字更多特权
• 所以：要访问分段，CPL 必须小于或等于分段的 DPL

RPL 是与段选择器相关的特权级别。段选择器只是一个引用段的 16 位值。每个内存访问（隐式² 或其他）都使用段选择器作为访问的一部分。

访问段时，实际上必须执行两项检查。只有当两个满足以下条件时，才允许访问该段：

• CPL
• RPL

因此，即使 CPL 有足够的权限访问一个段，如果引用该段的段选择器没有足够的权限，访问仍然会被拒绝。

RPL 背后的动机

这样做的目的是什么？嗯，现在的推理有点过时了，但英特尔文档提供了一个类似这样的场景：

• 假设操作系统提供了一个系统调用，它接受来自调用者的逻辑地址（段选择器 + 偏移量）并写入该地址
• 普通应用程序以 CPL 3 运行；系统调用以 0 的 CPL 运行
• 假设某个段（我们称之为 X）的 DPL 为 0

应用程序通常无法访问段 X 中的内存（因为 CPL > DPL）。但是根据系统调用的实现方式，应用程序可能能够使用段 X 内的地址参数调用系统调用。然后，由于系统调用是特权的，它将能够代表 X 段写入的应用程序。这可能会在操作系统中引入privilege escalation vulnerability。

为了缓解这种情况，官方建议当特权例程接受非特权代码提供的段选择器时，应首先将段选择器的 RPL 设置为与非特权代码的 RPL 匹配³ .这样，操作系统将无法对该段进行任何非特权调用者无法进行的访问。这有助于加强操作系统和应用程序之间的界限。

过去和现在

在 x86 系列处理器中存在分页之前，286 引入了段保护。那时，分段是限制从用户模式上下文访问内核内存的唯一方法。在跨不同权限级别传递指针时，RPL 提供了一种方便的方法来强制执行此限制。

现代操作系统使用分页来限制对内存的访问，从而无需分段。由于我们不需要分段，我们可以使用flat memory model，这意味着段寄存器CS、DS、SS 和ES 的基数都为零，并延伸到整个地址空间。事实上，在 64 位“长模式”中，强制执行平面内存模型，而不管这四个段寄存器的内容。有时仍会使用段（例如，Windows 使用FS 和GS 指向Thread Information Block 和0x23 和0x33 指向switch between 32- and 64-bit code，Linux 类似），但你只是不要到处传递段了。所以 RPL 主要是旧时代未使用的遗留物。

RPL：它曾经有必要吗？

您问为什么必须同时拥有 DPL 和 RPL。即使在 286 的上下文中，RPL 实际上也不是必需。考虑到上述情况，特权过程总是可以通过 LAR 指令检索提供的段的 DPL，将其与调用者的权限进行比较，如果调用者的权限不足以访问该段，则抢先退出。但是，在我看来，设置 RPL 是一种更优雅、更简单的方式来管理跨不同权限级别的段访问。

要了解有关权限级别的更多信息，请查看Intel's software developer manuals 第 3 卷，尤其是标题为“权限级别”和“检查呼叫者访问权限”的部分。

¹ 从技术上讲，DPL 可以具有不同的含义，具体取决于正在访问的段或门的类型。为简单起见，我描述的所有内容都特别适用于数据段。查看英特尔文档以获取更多信息
² 例如，指令指针在获取指令时隐式使用存储在 CS 中的段选择器；大多数类型的数据访问都隐式使用存储在 DS 中的段选择器等。
³参见 ARPL 指令（仅限 16 位/32 位保护模式）