Кольца процессора - самое четкое различие
В защищенном режиме x86 процессор всегда находится в одном из 4 звонков. Ядро Linux использует только 0 и 3:
- 0 для ядра
- 3 для пользователей
Это наиболее сложное и быстрое определение ядра и пользовательского пространства.
Почему Linux не использует кольца 1 и 2: Кольца привилегий ЦП: почему кольца 1 и 2 не используются?
Как определяется текущее кольцо?
Текущее кольцо выбирается комбинацией:
таблица глобальных дескрипторов: таблица в памяти записей GDT, и каждая запись имеет поле Privl, которое кодирует кольцо.
Инструкция LGDT устанавливает адрес для текущей таблицы дескрипторов.
Смотри также: http://wiki.osdev.org/Global_Descriptor_Table
регистры сегментов CS, DS и т. Д., Которые указывают на индекс записи в GDT.
Например, CS = 0 означает, что первая запись GDT в данный момент активна для исполняемого кода.
Что может делать каждое кольцо?
Чип процессора физически построен так, что:
кольцо 0 может делать что угодно
кольцо 3 не может выполнить несколько инструкций и записать в несколько регистров, в частности:
не может изменить свое собственное кольцо! В противном случае он может установить себе кольцо 0, и кольца будут бесполезны.
Другими словами, нельзя изменить текущий дескриптор сегмента , который определяет текущее кольцо.
не может изменить таблицы страниц: Как работает подкачка x86?
Другими словами, невозможно изменить регистр CR3, а само разбиение на страницы предотвращает изменение таблиц страниц.
Это препятствует тому, чтобы один процесс видел память других процессов из соображений безопасности / простоты программирования.
не может зарегистрировать обработчики прерываний. Они настраиваются путем записи в ячейки памяти, что также предотвращается подкачкой.
Обработчики работают в кольце 0 и нарушают модель безопасности.
Другими словами, нельзя использовать инструкции LGDT и LIDT.
не может выполнять команды ввода-вывода, такие как in и out, и, следовательно, имеет произвольный доступ к оборудованию.
В противном случае, например, права доступа к файлам будут бесполезны, если какая-либо программа сможет напрямую читать с диска.
Точнее, благодаря Michael Petch : на самом деле ОС может разрешить инструкции ввода-вывода на кольце 3, это фактически контролируется сегментом состояния задачи .
Невозможно, чтобы кольцо 3 дало себе разрешение сделать это, если у него его не было вообще.
Linux всегда запрещает это. См. Также: Почему Linux не использует аппаратный переключатель контекста через TSS?
Как программы и операционные системы переходят между кольцами?
когда процессор включен, он запускает начальную программу в кольце 0 (что-то вроде, но это хорошее приближение). Вы можете считать эту исходную программу ядром (но обычно это загрузчик, который затем вызывает ядро все еще в кольце 0).
когда пользовательский процесс хочет, чтобы ядро сделало что-то для него, например, запись в файл, он использует инструкцию, которая генерирует прерывание, такое как int 0x80, для подачи сигнала в ядро.
Когда это происходит, процессор вызывает и обрабатывает обработчик обратного вызова, который ядро зарегистрировало во время загрузки.
Этот обработчик работает в кольце 0, который решает, разрешит ли ядро это действие, выполняет действие и перезапускает программу пользователя в кольце 3.
когда используется системный вызов exec (или когда запускается ядро /init), ядро подготавливает регистры и память нового пользовательского пространства процесс, затем он переходит к точке входа и переключает ЦП на звонок 3
Если программа пытается сделать что-то непослушное, например запись в запрещенный регистр или адрес памяти (из-за подкачки), ЦП также вызывает некоторый обработчик обратного вызова ядра в кольце 0.
Но поскольку пользовательская область была непослушной, ядро на этот раз может завершить процесс или выдать ему предупреждение с сигналом.
Когда ядро загружается, оно устанавливает аппаратные часы с некоторой фиксированной частотой, которая периодически генерирует прерывания.
Эти аппаратные часы генерируют прерывания, которые запускают кольцо 0, и позволяют ему планировать, какие пользовательские процессы должны активизироваться.
Таким образом, планирование может происходить, даже если процессы не выполняют никаких системных вызовов.
Какой смысл иметь несколько колец?
Существует два основных преимущества разделения ядра и пользовательского пространства:
- проще создавать программы, так как вы уверены, что одно не будет мешать другому. Например, один пользовательский процесс не должен беспокоиться о перезаписи памяти другой программы из-за подкачки страниц или о переводе оборудования в недопустимое состояние для другого процесса.
- это более безопасно. Например. права доступа к файлам и разделение памяти могут помешать хакерскому приложению читать ваши банковские данные. Это предполагает, конечно, что вы доверяете ядру.
Как с этим поиграться?
Я создал голую металлическую установку, которая должна быть хорошим способом манипулирования кольцами напрямую: https://github.com/cirosantilli/x86-bare-metal-examples
К сожалению, у меня не хватило терпения сделать пример пользовательского пространства, но я пошел до настройки пейджинга, поэтому пользовательское пространство должно быть выполнимым. Я хотел бы увидеть запрос на получение разрешения.
В качестве альтернативы модули ядра Linux работают в кольце 0, поэтому вы можете использовать их для проверки привилегированных операций, например, прочитайте управляющие регистры: Как получить доступ к управляющим регистрам cr0, cr2, cr3 из программы? Получение ошибки сегментации
Вот удобная настройка QEMU + Buildroot , чтобы попробовать его, не убивая ваш хост.
Недостатком модулей ядра является то, что другие kthreads работают и могут мешать вашим экспериментам. Но в теории вы можете взять на себя все обработчики прерываний с вашим модулем ядра и владеть системой, на самом деле это был бы интересный проект.
отрицательные кольца
Хотя отрицательные кольца фактически не упоминаются в руководстве Intel, на самом деле существуют режимы ЦП, которые имеют более широкие возможности, чем само кольцо 0, и поэтому хорошо подходят для имени «отрицательного кольца».
Одним из примеров является режим гипервизора, используемый в виртуализации.
Подробнее см .: https://security.stackexchange.com/questions/129098/what-is-protection-ring-1
ARM
В ARM кольца называются уровнями исключения, но основные идеи остаются прежними.
В ARMv8 существует 4 уровня исключений, обычно используемых как:
EL0: пользовательская область
EL1: ядро
EL2: гипервизоры , например Xen .
Гипервизор для ОС, а ОС для пользовательского пространства.
Например, Xen позволяет вам запускать несколько ОС, таких как Linux или Windows, в одной и той же системе одновременно, и он изолирует ОС друг от друга для обеспечения безопасности и простоты отладки, как это делает Linux для пользовательских программ.
Гипервизоры являются ключевой частью современной облачной инфраструктуры: они позволяют нескольким серверам работать на одном оборудовании, поддерживая использование оборудования всегда близким к 100% и экономя много денег.
AWS, например, использовал Xen до 2017 года, когда его переход на KVM сделал новостью .
EL3: еще один уровень. Пример TODO.
Справочная модель архитектуры ARMv8 DDI 0487C.a - Глава D1 - Модель программиста на уровне системы AArch64 - Рисунок D1-1 прекрасно иллюстрирует это:
Обратите внимание, что ARM, возможно, благодаря ретроспективе, имеет лучшее соглашение об именах для уровней привилегий, чем x86, без необходимости использования отрицательных уровней: 0 является самым низким, а 3 самым высоким. Более высокие уровни, как правило, создаются чаще, чем более низкие.
Текущий EL может быть запрошен с помощью инструкции MRS: каков текущий режим выполнения / уровень исключения и т. Д.?
ARM не требует наличия всех уровней исключений, чтобы обеспечить реализации, которым не требуется эта функция для сохранения площади микросхемы. ARMv8 «Уровни исключений» говорит:
Реализация может не включать все уровни исключений. Все реализации должны включать EL0 и EL1.
EL2 и EL3 являются опциональными.
QEMU, например, по умолчанию EL1, но EL2 и EL3 можно включить с помощью параметров командной строки: qemu-system-aarch64 вводит el1 при эмуляции включения питания a53