Защита памяти в мультипрограммных ЭВМ

Средства защиты памяти в персональной ЭВМ

Защита памяти в персональной ЭВМ [ 4 ] делится на защиту при управлении памятью и защиту по привилегиям.

Средства защиты при управлении памятью осуществляют проверку

• превышения эффективным адресом длины сегмента,
• прав доступа к сегменту на запись или только на чтение,
• функционального назначения сегмента.

Первый механизм базируется на методе граничных регистров. При этом начальные адреса того или иного сегмента программы устанавливаются операционной системой. Для каждого сегмента фиксируется его длина. При попытке обращения по относительному адресу, превышающему длину сегмента, вырабатывается сигнал нарушения защиты памяти.

При проверке функционального назначения сегмента определяются операции, которые можно проводить над находящимися в нем данными. Так, сегмент, представляющий собой стек программы, должен допускать обращение как на запись, так и на чтение информации. К сегменту, содержащему программу, можно обращаться только на исполнение. Любое обращение на запись или чтение данных из этого сегмента будет воспринято как ошибочное. Здесь наблюдается некоторый отход от принципов Неймана в построении ЭВМ, в которых утверждается, что любая информация, находящаяся в ЗУ, функционально не разделяется на программу и данные, а ее идентификация проводится лишь на стадии применения данной информации. Очевидно, что такое развитие вызвано во многом появлением мультипрограммирования и необходимостью более внимательного рассмотрения вопросов защиты информации.

Защита по привилегиям фиксирует более тонкие ошибки, связанные, в основном, с разграничением прав доступа к той или иной информации.

В какой-то степени защиту по привилегиям можно сравнить с классическим методом ключей защиты памяти. Различным объектам (программам, сегментам памяти, запросам на обращение к памяти и к внешним устройствам), которые должны быть распознаны процессором, присваивается идентификатор, называемый уровнем привилегий . Процессор постоянно контролирует, имеет ли текущая программа достаточные привилегии, чтобы

• выполнять некоторые команды,
• выполнять команды ввода-вывода на том или ином внешнем устройстве,
• обращаться к данным других программ,
• вызывать другие программы.

На аппаратном уровне в процессоре различаются 4 уровня привилегий. Наиболее привилегированными являются программы на уровне 0.

Число программ, которые могут выполняться на более высоком уровне привилегий, уменьшается от уровня 3 к уровню 0. Программы уровня 0 действуют как ядро операционной системы. Поэтому уровни привилегий обычно изображаются в виде четырех колец защиты (рис. 17.3).

Рис. 17.3. "Кольца защиты"

Как правило, распределение программ по кольцам защиты имеет следующий вид:

уровень 0 - ядро ОС, обеспечивающее инициализацию работы, управление доступом к памяти, защиту и ряд других жизненно важных функций, нарушение которых полностью выводит из строя процессор;

уровень 1 - основная часть программ ОС (утилиты);

уровень 2 - служебные программы ОС (драйверы, СУБД, специализированные подсистемы программирования и др.);

уровень 3 - прикладные программы пользователя.

Конкретная операционная система не обязательно должна поддерживать все четыре уровня привилегий. Так, ОС UNIX работает с двумя кольцами защиты: супервизор ( уровень 0) и пользователь ( уровни 1,2,3). Операционная система OS/2 поддерживает три уровня: код ОС работает в кольце 0, специальные процедуры для обращения к устройствам ввода-вывода действуют в кольце 1, а прикладные программы выполняются в кольце 3.

Простую незащищенную систему можно целиком реализовать в одном кольце 0 (в других кольцах это сделать невозможно, так как некоторые команды доступны только на этом уровне ).

Уровень привилегий сегмента определяется полем DPL уровня привилегий его дескриптора. Уровень привилегий запроса к сегменту определяется уровнем привилегий RPL, закодированном в селекторе. Обращение к сегменту разрешается только тогда, когда уровень привилегий сегмента не выше уровня запроса. Обращение к программам, находящимся на более высоком уровне привилегий (например, к утилитам операционной системы из программ пользователя), возможно с помощью специальных аппаратных механизмов - шлюзов вызова.

При страничном преобразовании адреса применяется простой двухуровневый механизм защиты: пользователь ( уровень 3) / супервизор ( уровни 0,1,2), указываемый в поле U/S соответствующей таблицы страниц.

При сегментно-страничном преобразовании адреса сначала проверяются привилегии при доступе к сегменту, а затем - при доступе к странице. Это дает возможность установить более высокую степень защиты отдельных страниц сегмента.