STP019: Speicherschutz

Schlüsseltechnologie

Nach einem glorreichen Intro mit perfekter Vorbereitung befassen Xyrill und ttimeless sich mit Speicherschutz. Wie und warum und welchen Speicher überhaupt? Hört selbst.

Shownotes

• "Welchen Speicher müssen wir eigentlich schützen?"

  • hier nur Arbeitsspeicher und Gerätespeicher
  • andere Speicherarten (z.B. Festplatten) geschützt durch die Betriebssystem-Abstraktionen, siehe zukünftige Folge zu Privilegienkontrolle

• Aufgaben des Betriebssystems: Prozessisolation und Vermittlung des Hardwarezugriffs

  • Problem: das Betriebssystem ist auch nur "ein Programm"
  • Frage 1: Wie wird sichergestellt, dass das Betriebssystem die finale Kontrolle über Hardwarezugriffe hat?
  • Frage 2: Wie wird verhindert, dass ein Speicherbereich, den Prozess A verwendet, von Prozess B überschrieben (oder unberechtigterweise ausgelesen) wird?

• Antwort auf Frage 1: Prozessor-Ringe

  • Standardfunktion auf allen CPUs, die auf Mehrprozess-Betrieb ausgelegt sind (nicht immer im Embedded-Bereich)
  • zu jedem Zeitpunkt läuft der Prozess in einem von mehreren Ringen
  • sensible Operationen (v.a. Hardwarezugriff) sind nur in den höheren Ringen erlaubt und damit den Betriebssystemprozessen vorbehalten
  • Wechsel in einen niedrigeren Ring jederzeit möglich (z.B. Aktivierung eines Userspace-Prozesses durch das Betriebssystem)

• Wie kommen wir von einem niedrigeren Ring wieder in einen höheren Ring?

  • Interrupts (siehe STP015): Eintreten eines Hardware-Ereignisses (z.B. ankommendes Netzwerk-Paket oder abgelaufener Hardware-Timer), das durch das Betriebssystem behandelt werden muss
  • Syscalls: niedrigprivilegierter Prozess fragt eine definierte Schnittstelle des Betriebssystems an, um eine höherprivilegierte Operation auszuführen
  • z.B. Dateisystem-Zugriff, Hardware-Zugriff, Ändern der Betriebssystem-Konfiguration, Starten von neuen Prozessen, Nachrichtenübermittlung an andere Prozesse
  • dadurch Realisierung der Prozessisolation, weil das Betriebssystem die Kontrolle über alle privilegierten Operationen hat

• Antwort auf Frage 2: Virtuelle Speicherverwaltung

  • wenn Prozesse auf Speicher zugreifen, verwenden sie nur "virtuelle" Speicheradressen: z.B. Adresse 0x42 für Prozess A ist nicht unbedingt derselbe Speicher wie Adresse 0x42 für Prozess B
  • Abbildung auf physische Speicheradressen innerhalb der CPU durch eine Memory Management Unit (MMU)
  • Konfiguration der MMU durch das Betriebssystem immer kurz vor der Übergabe der CPU an einen anderen Prozess
  • Aufteilung des physischen/virtuellen Speichers in Seiten (Pages), z.B. bei x86-64 wahlweise 4 KiB oder 2 MiB oder 1 GiB
  • pro Page verschiedene Zugriffsberechtigungen möglich, z.B. zur Verhinderung des Schreibens in ausführbare Programmteile, oder für Shared Memory als Kommunikationsweg zwischen Prozessen

• Paging der MMU ermöglicht Swapping

  • Pages müssen nicht unbedingt im tatsächlichen Arbeitsspeicher gehalten werden, sondern können bei Nichtverwendung in eine Swap-Datei auf der Festplatte ausgelagert werden
  • dadurch über alle Programme summiert meist deutlich mehr virtueller Speicher zugewiesen, als tatsächlich physischer Speicher vorhanden ist
  • wenn ein Programm auf eine im Arbeitsspeicher fehlende Seite zugreift, erzeugt die MMU einen Interrupt (Page Fault), sodass das Betriebssystem die fehlende Seite transparent nachladen kann
  • analog dazu: Memory-Mapping von Dateiinhalten direkt in den Arbeitsspeicher

• wenn wir schon mal über Speicheradressen reden: Direct Memory Access

  • Abbildung eines Arbeitsspeicher-Addressbereiches auf einen Speicher eines angeschlossenen Gerätes, zum Beispiel den Arbeitsspeicher der Grafikkarte oder eines Netzwerkadapters
  • dadurch direkter Transfer von Daten zwischen niedrigprivilegierten Prozessen und Hardware möglich, z.B. schnelles Hochladen von Texturen in die Grafikkarte durch ein 3D-Spiel
  • DMA braucht nicht unbedingt eine MMU (siehe VGA-Buffer bei 0xB8000 in DOS-Ära-Betriebssystemen)