Управление оперативной памятью

Аппаратное обеспечение средств защиты

Аппаратное обеспечение средств защиты ОС. Управление оперативной памятью, планированием задач.

Под аппаратным обеспечение средств защиты ОС понимается совокупность средств и методов, используемых для решения следующих задач:

· Управление оперативной и виртуальной памятью компьютера.

· Распределение процессорного времени между задачами в многозадачной ОС.

· Синхронизация выполнения параллельных задач в многозадачной ОС.

· Обеспечение корректности совместного доступа задач к ресурсам ОС.

· Исключение тупиковых ситуаций в процессе совместного доступа задач к ресурсам ОС.

Большая часть из этих задач в значительной степени решаются с помощью аппаратно-реализованных функций процессоров и других узлов компьютера.

Основная угроза оперативной памяти заключается в том, что один процесс, выполняющийся в многозадачной системе, несанкционированно получает доступ к оперативной памяти другого процесса, выполняющегося параллельно. Данная угроза представляет опасность не только с точки зрения обеспечения надежности ОС, но и с точки зрения обеспечения ее безопасности.

Существуют 2 способа защиты ОЗУ процесса от несанкционированного доступа со стороны других процессов.

1. При каждом обращении процессора к ОЗУ осуществляется проверка корректности доступа. Теоретически, это позволяет создать абсолютно надежную защиту от НСД процесса к чужой памяти. Если выделить каждому процессу отдельную область памяти и блокировать все обращения за ее пределы, доступ процесса к чужой памяти становится невозможным. Однако, при этом становится практически невозможным и взаимодействие процессов. Это в значительной повышает требования к объему оперативной памяти и понижает эффективность функционирования процессов (нужно, чтобы они взаимодействовали). В применяемых на практике ОС, значительная часть ОЗУ, выделяемой процессу, является разделяемой, т.е. доступной другим процессам. Например, в Windows все копии выполняющейся программы имеют общий код. То есть различные процессы имеют доступ к одной и той же памяти.

2. Альтернативный подход к обеспечению защиты оперативной памяти заключается в выделении каждому процессу индивидуального адресного пространства, аппаратно изолированного от других процессов. При этом, по какому бы адресу ОЗУ не обратился процесс, он не сможет обратиться к памяти, выделенной другому процессу, поскольку одному и тому же адресу в разных адресных пространствах соответствуют разные физические адреса оперативной памяти. В данном случае процессор должен поддерживать виртуальный режим. Виртуальные адреса преобразуются в физические незаметно для процесса. Данный подход обеспечивает защиту от случайных обращений процессов к оперативной памяти других процессов, но если защита реализуется преднамеренно, то такого рода подход не всегда позволяет защитить память. В данном подходе значительная часть физической памяти является разделяемой, то есть проецируется сразу в несколько адресных пространств. При этом опять существует опасность преднамеренного несанкционированного воздействия одного процесса на другой.

Кроме этого, для предотвращения несанкционированного использования отладчиков, обычно выдвигается требование, согласно которому политика безопасности, принятая в защищенной ОС не должна позволять запуск отладчиков.

Управление планированием задач. Возможности атаки и защита.

Планирование задач в многозадачной ОС заключается в распределении ОС времени ЦП между параллельно выполняемыми задачами. Неэффективное планирование задач может негативно сказаться как на эффективности и надежности функционирования ОС, так и повлиять на ее защищенность.

Планирование задач может быть двух типов.

1. Вытесняющее.

2. Не вытесняющее.

Во втором случае, выполнение задачи может быть прервано только по инициативе самой задачи. Задача, выполнив необходимые действия, должна самостоятельно прервать свое выполнение (Win 3.1). Здесь пока задача не завершила обработку сообщения, другие задачи не могут получить управления. Если задача зациклилась, то другие задачи никогда не получат управления – ОС зависает. Вывести из строя такую ОС можно просто написав пустой цикл. Обычно ОС с не вытесняющим планированием содержат спец. средства аварийного завершения задач в экстренных случаях, но эти средства никогда не работают достаточно надежно.

При планировании задач с вытеснением, выполнение любой задачи может быть прервано в любой момент. Это реализуется, как правило, с помощью специальных функций процессора. На программном уровне это реализовано в OS/2 и данная реализация негативно сказывается на производительности ОС.

Основная угроза подсистеме планирования задач заключается в том, что злоумышленник может приостановить или прекратить выполнение задач, критичных для обеспечения безопасности, операционной системы. Для нейтрализации этой угрозы операционная система должна обладать следующими свойствами:

1. Поддерживается вытеснение задач.

2. Создание высокоприоритетных задач доступно только привилегированным пользователям.

3. Критичные для обеспечения безопасности системы задачи защищены от несанкционированного вмешательства в ход их выполнения (например, от несанкционированного снижения приоритета подсистем защиты).

4. Фатальный сбой в процессе функционирования одной из задач, критичных для обеспечения безопасности, должен вызывать крах ОС.

Обеспечение корректности совместного доступа к объектам

В процессе функционирования многозадачной ОС часто возникает ситуация, когда две или более задач одновременно обращается к одному и тому же объекту ОС. Если при этом режим доступа хотя бы одной задачи допускает изменение данных объекта, не исключено, что обращения других задач к данному объекту будет выполнены некорректно. Например, две пишут враз, одна пишет - другая читает.

В данном случае, если какая-то задача изменяет данные, то доступ к этим данным должен быть запрещен другим задачам. Единственное исключение – все задачи, изменяющие один и тот же объект открывают его в режиме, допускающем совместное изменение данных. Открывая объект таким образом, задача тем самым заявляет ОС, что она полностью берет на себя ответственность за все действия, связанные с обеспечением корректности совместного доступа к данным.

Предотвращение тупиковых ситуаций

Тупиковая ситуация может возникнуть тогда, когда несколько программ одновременно пытаются открыть несколько одних и тех же объектов в режиме монопольного доступа. Если одна программа открыла одну часть объектов, а другая – другую, то ни одна из программ сможет открыть остальные объекты до тех пор, пока другая программа их не закроет. Если функции закрытия объектов не предусмотрены ни в одной из программ, ситуация становится тупиковой – каждая программа ждет, пока другая закроет открытые ею объекты.

Один из методов борьбы с тупиковыми ситуациями состоит в следующем: если программа для выполнения некоторой операции должна открыть в монопольном режиме несколько объектов ОС, но не смогла этого сделать, так как некоторые из этих объектов уже открыты в монопольном режиме другой программой, то она должна закрыть все уже открытые объекты, подождать некоторое время и повторить операцию сначала. Наилучшие результаты – если время ожидания случайно.

Уровни привелигированности

Для реализации защитных механизмов на Intel могут использоваться уровни привилегированности. Уровень привилегированности - это числовой идентификатор, принимающий значения от 0 до 3, который определяет возможности задачи выполнять команды процессора, модифицировать регистры и области ОЗУ и т.д. Чем меньше идентификатор уровня, тем более полный доступ имеет задача к аппаратным возможностям процессора. Множество задач, обладающих некоторым конкретным уровнем привилегированности- кольцо защиты. Например, если программа имеет уровень 3, то третье кольцо. Обычно код программы – в третьем кольце, а код ОС – в нулевом. Первое и второе – редко (OS/2). RISC – 2 кольца.

Лекция № 16

Дата добавления: 2014-01-05