Übersicht. Virtueller Speicher CPU-Modi Virtuelle Maschinen. ISM SS Teil 4/ProtectionI

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1 Übersicht Virtueller Speicher CPU-Modi Virtuelle Maschinen 2

2 Behandelter Bereich: Virtualisierung Syscall-Schnittstelle Ports Server Apps Server Apps Betriebssystem Protokolle Betriebssystem Medien Hardware Host Netz Hardware Host Medien File System Virtualisierung 3 Physikalischer Adressraum I 4

3 Physikalischer Adressraum II Es wird Memory-Mapped-I/O zugrunde gelegt: Alle Geräteregister besitzen eine Bus-Adresse und sind daher mit normalen Instruktionen erreichbar. Physikalischer Adressraum = Bereich der Adressen, der über den Adressbus ansprechbar ist In der Regel ist dieser Adressraum in folgende Bereiche von den niedrigen zu den hohen Adressen aufgeteilt: Kernel des Betriebssystems Bereich für Prozesse bzw. Programme Lücke, da der gesamte mögliche Adressraum in der Regel größer als die reale Größe des Arbeitsspeichers ist Bereich der Geräteregister Weiterhin gibt es noch den Bereich für den (E)EPROM/Booter. 5 Ziele des virtuellen Speichers Virtueller Speicher = Virtual Memory = Arbeitsspeicher mit simuliertem Eigenschaften: Zugriffsschutz/Separation der Programme untereinander zur Erhöhung der Sicherheit Unabhängigkeit vom Ort im RAM, an dem die Programme und ihre Daten liegen, zur Erhöhung der Flexibilität Der virtuelle Speicher wird mit Hilfe einer Memory Management Unit (MMU) realisiert. 6

4 Memory Management Unit (MMU) I 7 Memory Management Unit (MMU) II Die MMU ist ein Filter zwischen CPU und Bus, der folgende Aufgaben hat: Prüfung, ob eine Adresse in dem zulässigen Bereich zwischen 0 und dem definierten Maximum liegt Verschiebung der von der CPU generierten Adresse auf die richtige Stelle im Adressraum des Busses durch Addition einer Basisadresse Der Adressraum aller Programme beginnt daher mit der virtuellen Adresse 0 und endet mit der höchsten Adresse. Adressen dazwischen sind gültig, alle anderen ungültig. Solch ein Bereich von Adressen wird Segment genannt. Adressen der CPU, die von der MMU verarbeitet werden, werden virtuelle Adressen genannt. Die Adressen als Resultat der MMU-Verarbeitung werden physikalische oder reale Adressen genannt. Dies sind die Adressen des Busses. 8

5 Aufgaben der MMU Die wesentliche Aufgabe der MMU besteht darin, die einzelnen Programme gegenüber einem gegenseitigen Überschreiben zu schützen. Jedes Segment ist dadurch wie ein Gehege, aus dem das Programm nicht ausbrechen kann. Eine andere Aufgabe besteht in der Herstellung der Ortsunabhängigkeit der Segmente, daher können die Segmente an verschiedenen Stellen im physikalischen RAM kopiert bzw. bewegt werden ohne dass dies die CPU berücksichtigen muss. Die Realisierung von virtuellen Adressen mit einem unüberwindbaren Schutzmechanismus wie eine MMU ist eines der wichtigsten Schutzkonzepte in Computern. 9 MMU - Genauer I Die MMU baut für die CPU einen "Käfig", der jeden Zugriff nach außen unterbindet. Versucht ein Prozess nach außen zuzugreifen, wird die Instruktion aufgrund eines Signals von der MMU zur CPU abgebrochen. 10

6 Erläuterungen I Segment = Bereich eines Arbeitsspeichers, der virtuell bei Adresse 0 beginnt und eine bestimmte Länge hat. Jedem Segment wird ein Deskriptor zugeordnet, der folgendes enthält: Physikalische Basisadresse Länge des Segments Zugriffsrechte (Lesen/Schreiben/Ausführen) Der Deskriptor wird in einem Registersatz in der MMU gehalten. Die MMU besitzt zwei Registersätze: Einen für den User-Mode Einen für den Kernel-Mode Wenn sehr viele Segmente gleichzeitig von der MMU verwaltet werden zu können, werden die Deskriptoren in einer Tabelle im RAM gehalten. 11 Feinere Aufteilung in Segmente I Es ist möglich, dass ein Prozess weiter auf mehrere (Teil-)Segmente aufgeteilt wird: Segment für Code Segment für Globale Daten Segment für Stack Damit kann ein Schreibschutz des Codes realisiert werden. Wenn das Code-Segment schreibgeschützt ist, kann es von mehreren Prozessen gemeinsam benutzt werden (Einsparung von Speicherplatz: Shared Memory). Die Code-Segmente mehrerer Prozesse werden dann auf denselben physikalischen Adressbereich abgebildet und haben damit dieselbe Basisadresse. Es können aber auch Datenbereiche gemeinsam benutzt werden. 12

7 Feinere Aufteilung in Segmente II Virtuelle Adresse 16 bit 16 bit Segment-ID Adresse innerhalb des Segments Beispiel für 32 bit-addressraum Indizierung 0 Länge Erlaubnis Basis-Adresse Auswahl des Registersatzes Adressumsetzer Länge Erlaubnis Basis-Adresse Reale Adresse 0 Max Code Heap Stack Betriebssystem Code (P1) Heap Stack I/O 13 Wenn ein Programm läuft... ist immer der korrespondierende Deskriptor in der MMU aktiv. Wenn nun die CPU einem anderen Prozess, d.h. einem anderen Segment gegeben werden soll, muss der Deskriptor für das neue Segment über die Geräteregister in die MMU geladen werden. Daher existiert im Kernel eine Tabelle mit allen Deskriptoren aller Segmente im RAM. Diese Tabelle liegt außerhalb des Zugriffs aller Programme, so dass nur der Kernel die Deskriptoren ändern und in die MMU laden kann. 14

8 Zugriff auf die MMU-Register Tabelle mit MMU- Deskriptoren Länge Erlaubnis Basis-Adresse Länge Erlaubnis Basis-Adresse... Länge Erlaubnis Basis-Adresse Registersätze sind über besondere Adressbereiche beschrieben Betriebssystem Prozess 1 Prozess 2 Prozess 3 MMU I/O Die Register der MMU werden wie I/O-Geräteregister behandelt. 15 CPU-Arbeitsmodi I - Wiederholung Im Status-Register der CPU befindet sich ein Bit zum Vermerken des globalen Arbeitsmodus der CPU: User-Mode: Normaler, eingeschränkter Modus Kernel-Mode: nur vom Betriebssystem benutzter Modus ohne jede Einschränkung Die Einschränkung im User-Mode betrifft die Ausführung folgender Instruktionsgruppen: I/O-Instruktionen (falls vorhanden) Administrationsinstruktionen (Reset, Stop etc.) Setzen des Status-Registers Nun gibt es für jeden Modus einen eigenen MMU-Registersatz, der automatisch mit Wechsel des CPU-Modus auch gewechselt wird. 16

9 CPU-Arbeitsmodi II User-Mode Kernel-Mode 17 Beispiel: Syscall read() Beim read() wird ein Datenblock von einem Gerät in den RAM eines User- Programms durch das Betriebssystem kopiert (vereinfachte Darstellung). 18

10 Reaktion bei Speicherverletzungen 1. Die MMU meldet der CPU eine Speicherverletzung (zu hohe Adresse) während der Ausführung eines Befehls. 2. Es erfolgt als Teil dieser Instruktion das, was einen Trap ausmacht, daher Wechsel in das Betriebssystem 4. Der Trap-Handler hat nun folgende Möglichkeiten: Abbruch des Prozesses mit eventuellem Erzeugen eines Speicherabzugs zur Post-Mortem-Analyse Versuch weiteren Speicher bis zur Adresse, auf die versucht wurde zuzugreifen, bereit zu stellen: Bedingung: Prozess muss dann noch in den RAM passen Gelingt das nicht: Abbruch wie oben 19 Schutzmechanismen (RAM und CPU) Durch die Virtualisierung des RAMs wird eine sehr wirksame Trennung der Prozesse erreicht. Durch die beiden CPU-Modi wird ein Verbot von I/O-Operationen im User-Mode realisiert. D.h. alle I/O-Operationen müssen durch den Kernel laufen und werden dadurch auf Rechtmäßigkeit geprüft. Dadurch kann der Schutz der Dateien gewährleistet werden. Dasselbe gilt für Zugriffe auf alle anderen Geräte, z.b. Netze. Auf Teilsegmente können einschränkende Erlaubnisse gegeben werden, z.b. kein Execute aus dem Stack (ein Bufferoverflow- Problem weniger). 20

11 Virtuelle Maschinen I Virtuelle Maschine = Komponente, die den ganzen Instruktionssatz (oder einen Teil davon) samt Geräten (auch teilweise) simuliert. Es kann dabei eine andere CPU simuliert oder emuliert werden. Idee ist mehr als 40 Jahre alt, z.b. CP/67 oder CP/CMS oder VM/370 für IBM-Rechner ab 1969 z/vm als Nachfolger VMWare für Intel x86 ab 1999 Siehe: 21 Virtuelle Maschinen II Host Maschine = Hardware-Gerät, das eine virtuelle Maschine simuliert Gast Maschine = Guest System = Maschine, die durch eine Host Maschine simuliert wird Virtual Machine Monitor = VMM = Hypervisor = Software zur Emulation privilegierter Instruktionen bzw. Geräte zwischen Host- und Gast-Maschine 22

12 Stufen der Virtualität I Prozess mit virtuellem Speicher: Prozesse sind sich selbst gegenüber innerhalb des RAMs getrennt Sandbox = In sich geschlossener Bereich für I/O für einen Prozess optional mit mehreren Threads Es werden dieselben Geräte benutzt, aber beschränkt, d.h. eine Trennung untereinander verbesserter Schutz. Prozess Prozess Betriebssystem Medien Hardware Host Unter Linux realisiert openvz eine solche Sandbox, indem derselbe Kernel dupliziert angeboten wird. 23 Stufen der Virtualität II Gast-Software Gast-Betriebssystem VMM User-Modus Kernel-Modus Medien Hardware Host Der VM-Monitor wird nur dann angesprochen zum Starten und Stoppen zum Monitoring (Administration) zur Emulation von privilegierten Instruktionen benötigt. Vollvirtualisierung = Alle privilegierte Instruktionen werden durch die VMM emuliert und der Rest der Architektur wird direkt durch die Hardware ausgeführt 24

13 Stufen der Virtualität III Einige Architekturen lassen sich nicht virtualisieren, z.b. wenn privilegierte Instruktionen kein Exception werfen, dann werden diese Instruktionen auf der Binärebene durch Aufrufe der VMM ersetzt. Ein Befehl heißt privilegiert, wenn er im User-Modus eine Exception wirft. Ein Befehl heißt steuerungssensitiv, wenn er Modus/MMU verändert, ohne im User-Modus eine Exception zu werfen. Ein Befehl heißt verhaltenssensitiv, wenn er in Abhängigkeit vom Modus/MMU eine andere Semantik hat. Eine Architektur ist virtualisierbar, wenn alle sensitiven Instruktionen auch privilegiert sind. 25 Bemerkung Die x86-hardware war nicht virtualisierbar, daher wurde die Prozessor-Architektur geändert: VT (Virtualization Technology), auch Intel: VT-x (Vanderpool 2005) AMD: AMD-v (Pacifica) Siehe: 26

14 Stufen der Virtualität IV Paravirtualisierung = Einige privilegierte Instruktionen werden explizit per Call durch die VMM emuliert, andere per Exception emuliert und der Rest der Architektur wird direkt durch die Hardware ausgeführt Mit anderen Worten: Das Gast-Betriebssystem muss modifiziert werden: bei speziellen Instruktionen bei bestimmten Geräten wird statt der Ausführung eine VMM-Routine aufgerufen. 27 Stufen der Virtualität IV Gast-Software Gast-Betriebssystem VMM Host-Software Gast-Software Gast-Betriebssystem VMM Host-Betriebssystem Medien Hardware Host In dieser Variante werden die virtuellen Maschinen wie Prozesse eines unterliegenden Betriebssystems behandelt. Dies ist der Normalfall bei der Servervirtualisierung in Rechenzentren. 28

15 Stufen der Virtualität V Emulation = Interpreter = Eigenständiges Programm simuliert eine Architektur samt peripheren Geräten Hier besteht eine vollständige Unabhängigkeit bzw. Trennung von der umfassenden Hardware Gast-Software Gast-Betriebssystem Emulator Host-Software Host-Betriebssystem Medien Hardware Host 29 Stufen der Virtualität VI Variante JavaVM Bei der JavaVM läuft noch ein Hotspot-Compiler, der Teile des zu interpretierenden Codes auf die Maschinen-Ebene während der Laufzeit des Programms übersetzt. Java-Software Java-Runtime-System Emulator Host- Software Host-Software Host-Betriebssystem Medien Hardware Host 30

16 Schutz (Protection) Realisierung des Schutzes erfolgt in Form eines Filters, der nicht umgangen werden kann und der die Rechte prüft. Das kann mit Hardware erfolgen: MMU oder Segmente oder per Software erfolgen Virtuelle Maschinen 31 Strategie Zerteile deine (verteilte) Anwendung in mehrere in sich geschlossene Teile, die innerhalb als korrekt arbeitend angesehen werden und die außerhalb minimale Schnittstellen besitzen. 32

17 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 33

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