Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme. 13. Übung

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1 Übung zu Grundlagen der Betriebssysteme 13. Übung

2 Aufgabe 1 Fragmentierung Erläutern Sie den Unterschied zwischen interner und externer Fragmentierung! Als interne Fragmentierung oder Verschnitt wird der Effekt bezeichnet, dass bei einer Verteilung von Daten auf Speicherblöcke diese nur zum Teil gefüllt werden können. Als externe Fragmentierung wird die Zerstückelung des Speicherraums bezeichnet! -> kann zum Fehlschlagen einer Speicheranforderung führen, wenn ein neu zu allozierender Bereich größer ist als das größte freie Fragment.

3 Interne Fragmentierung Werden Speicherbereiche reserviert und zugeordnet, von denen aufgrund der Anforderung nicht alles genutzt wird, gilt der Rest als vergeudet es sei denn, der Prozess wird in die Richtung wachsen. Man spricht hier von interner Fragmentierung des Speichers. Innerhalb der von der Speicherverwaltung vorgegebenen Größen kommt es zur Auflockerung der Nutzung!

4 Externe Fragmentierung Werden bei der Speicherplatzvergabe Bereiche definiert, die nicht mehr durch größere Anwendungen genutzt werden können, spricht man von externer Fragmentierung, also der Zerstückelung des kontinuierlichen Speicherbereichs in nur im Kleinen zu nutzenden Einheiten. Abhilfe schafft hier eine zeitintensive Verdichtung

5 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU) Erläutern Sie den Unterschied zwischen einer virtuellen (logischen) und einer physikalischen Adresse! Welche Aufgabe besitzt die Memory Management Unit (MMU)? Der virtuelle Speicher ist der vom Betriebssystem allen Prozessen zur Verfügung gestellt Adressraum. Dieser ist unabhängig von der Größe des real vorhandenen Speichers. Eine Ausführung von jedem in der Prozessmenge enthaltenen Prozess wird durch die zugrunde liegende Speicherverwaltungstechnik meist Paging gewährleistet.

6 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU)

7 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU) Vorteile: Die Technik des virtuellen Speichers befreit den Benutzer von Speichereinschränkungen. Prozesse können gemeinsame Programmteile benutzen. Prozesse können effizienter erzeugt werden. - mehrere kleinere Prozesse können laufen - weniger I/O-Operationen beim Swapping Nachteile: Die Implementierung eines virtuellen Speichers ist kompliziert - Hardware und Software werden kompliziert Bei unvorsichtiger Anwendung kann die Ausführung der Programme stark verlangsamt werden.

8 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU) Erläutern Sie den Unterschied zwischen einer virtuellen (logischen) und einer physikalischen Adresse! Welche Aufgabe besitzt die Memory Management Unit (MMU)? Speicherreferenzen sind nur logische Adressen, die dynamisch in physikalische Adressen umgewandelt werden. Prozesse werden in Teile (Seiten oder Segmente) zerlegt und nach verschiedenen Strategien im Speicher geladen.

9 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU)

10 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU)

11 Aufgabe 2 Memory Management Uni (MMU)

12 Speichermanagement Wovon hängt die Effizienz der virtuellen Adressierung ab?

13 Speichermanagement

14 Speichermanagement

15 Speichermanagement Zwei grundlegende Implementierungsmöglichkeiten für virtuelle Speichersysteme. Demand Paging Es werden im Hauptspeicher nur die Seiten geladen, die gerade gebraucht werden. - weniger I/O-Operationen - weniger Speicherverbrauch - mehrere Prozesse - schnellere Antwortseiten Demand Segmentation Es werden im Hauptspeicher nur die Segmente geladen, die gerade gebraucht werden.

16 Aufgabe 3 Segment-Tabelle Gegeben ist folgende Segment-Tabelle: Vorgehen: Offset + S.-Adr. = phy. Adr. muss kleiner als (<) S.-Adr. + S.-Länge a) 0, 430 -> = 649 < 819 b) 1, 10 -> = 2310 < 2314 c) 2, 500 -> = 590 > 190 Speicherzugriffsfehler d) 3, 400 -> = 1727 < 1907 e) 4, 112 -> = 2064 > 2048 Speicherzugriffsfehler f) 5, 28 -> = 928 < 930

17 Aufgabe 4 Paging Gegeben ist ein Paging System bei dem die Seitentabelle im Speicher liegt. a) Der Speicherzugriff dauert 200 ns. Wie lange dauert der Zugriff auf die Daten eines Seiteneintrags im Speicher? Der Zugriff dauert ns = 400ns 1) 200 ns -> Zugriff auf Seitentabelle (liegt im Speicher), auslesen der Mapping-Informationen 2) 200 ns -> Zugriff auf die physikalische Adresse und auslesen der Daten Gesamt: 400 ns.

18 Aufgabe 4 Paging Gegeben ist ein Paging System bei dem die Seitentabelle im Speicher liegt. b) Es wird nun zusätzlich ein Translation Lookaside Buffer (TLB) verwendet. 75% aller Zugriffe auf die Seitentabelle können im TLB gefunden werden. Wie lange dauert die Zugriffszeit auf die Daten nun. (Wenn der Eintrag im TLB vorhanden ist, benötigt das finden eines Seitentabelleneintrags im TLB keine Zeit) Der Zugriff dauert 0,75 x 200 ns + 0,25 x 400ns = 250ns 1) 200 ns (75%) -> Zugriff auf Seitentabelle im TLB in 75% 2) 400 ns (25%) -> Zugriff auf die berechnete physikalische Adresse und auslesen der Daten Gesamt: 250 ns.

19 Aufgabe 5 Segmentation Fault Das folgende C-Programm SegFault.c gibt unten anstehende Fehlermeldung aus! Erläutern Sie mit wenigen Worten die Fehlermeldung im Zusammenhang mit dem gegebenen Programm! Wo liegt hier das Problem? (gcc -o SegFault SegFault.c) #include <stdio.h> void main(){ int *p = 0; *p=0; printf("%d\n",*p); } Ausgabe: #./SegFault Segmentation fault (Speicherzugriffsfehler)

20 Aufgabe 5 Segmentation Fault Eine Schutzverletzung (engl. segmentation fault) tritt auf, wenn ein Computerprogramm auf eine Ressource (insbesondere auf Speicher) zuzugreifen versucht, die vor einem solchen Zugriff geschützt bzw. nicht erreichbar ist. Hierbei sendet der Betriebssystemkern (Kernel) ein Signal zum Prozess, der den Fehler ausgelöst hat. Dies führt im Normalfall zur Beendigung des Prozesses. Durch den Speicherschutz moderner Betriebssysteme und werden andere Prozesse und das Betriebssystem geschützt. Die englische Bezeichnung segmentation fault stammt aus einer Zeit, in der Speicherbereiche durch Segmentierung vor unerlaubtem Zugriff geschützt wurden. Heute werden andere Schutzmechanismen verwendet, insbesondere Paging; der Terminus segmentation fault hat sich aber unverändert erhalten. Der segmentation fault ist nicht zu verwechseln mit dem page fault (Seitenfehler), der lediglich das Programm so lange unterbricht, bis die fehlende Seite in den Hauptspeicher geladen wurde. Quelle:

21 Aufgabe 6 Array Walk Das folgende C-Programm ArrayWalk.c hat die rechts anstehende Ausgabe! Obwohl die beiden Arrays s[] und t[] gleich behandelt werden, ist deren Inhalt leicht unterschiedlich! Wird das C- Programm mit der Option -fno-stack-protector compiliert verändert sich auch die Variable u, obwohl dieser kein neuer Wert zugewiesen wird. Finden und erläutern Sie mit wenigen Worten das Problem und wie es behoben werden kann. (gcc -fno-stack-protector -o ArrayWalk ArrayWalk.c) #include <stdio.h> int main(){ int i, s[4], t[4], u=0; for(i=0; i<=4; i++){ s[i] = i; t[i] = i; } printf("s:t\n"); } for(i=0; i<=4; i++){ printf("%d:%d\n", s[i], t[i]); } printf("u=%d\n", u); Ausgabe: #./ArrayWalk s:t 4:0 1:1 2:2 3:3 4:4 u=4

22 Aufgabe 6 Array Walk Ausgabe: #./ArrayWalk s:t 4:0 1:1 2:2 3:3 4:4 u=4 for(i=0; i<=4; i++){ printf("%d:%d=%d,%d=%d\n",&s[i],s[i],&t[i],t[i]); } printf("u:%d=%d\n",&u,u); #./ArrayWalk 0:t =0 1:t =1 2:t =2 3:t =3 4:t =4 0:s =4 1:s =1 2:s =2 3:s =3 4:s =4 u =4 #./ArrayWalk 0: =4, =0 1: =1, =1 2: =2, =2 3: =3, =3 4: =4, =4 u: =4

23 Aufgabe 6 Become Root Das folgende C-Programm BecomeRoot.c dient der Passwordabfrage. Wird es mit der Option - fno-stack-protector compiliert, so funktioniert es nicht korrekt. Erläutern Sie, wo hier das Problem liegt. (gcc -fno-stack-protector -o BecomeRoot BecomeRoot.c) #include <stdio.h> #include <string.h> int main(int argc, char *argv[]) { if(argc <2) {printf("run:./becomeroot password\n"); return 0;} int granted = 0; char password[20]; sprintf(password,"%s",argv[1]); } if(!strcmp(password,"12345")) granted=1; if(granted) { printf("i'm in, let's rock\n"); } else { printf("wrong password, try again!\n"); }

24 Aufgabe 6 Become Root Das folgende C-Programm BecomeRoot.c dient der Passwordabfrage. Wird es mit der Option - fno-stack-protector compiliert, so funktioniert es nicht korrekt. Erläutern Sie, wo hier das Problem liegt. (gcc -fno-stack-protector -o BecomeRoot BecomeRoot.c) Ausgabe: :~#./BecomeRoot I'm in, let's rock :~#./BecomeRoot Wrong password, try again! :~#./BecomeRoot I-dont-need-any-password I'm in, let's rock

25 Aufgabe 6 Become Root Pufferüberläufe (englisch buffer overflow) gehören zu den häufigsten Sicherheitslücken Im Wesentlichen werden bei einem Pufferüberlauf durch Fehler im Programm zu große Datenmengen in einen dafür zu kleinen reservierten Speicherbereich, den Puffer, geschrieben, wodurch nach dem Ziel-Speicherbereich liegende Speicherstellen überschrieben werden. Dreht es sich nicht um einen ganzen Datenblock, sondern um eine Zieladresse eines einzelnen Datensatzes, spricht man auch von pointer overflow, nach dem Pointer (Zeiger), der anzeigt, wo der Datensatz im Puffer hingeschrieben werden soll.

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