Защита памяти

Защита памяти (англ. Memory protection) — это способ управления правами доступа к отдельным регионам памяти. Используется большинством многозадачных операционных систем. Основной целью защиты памяти является запрет доступа процессу к той памяти, которая не выделена для этого процесса. Такие запреты повышают надежность работы как программ так и операционных систем, так как ошибка в одной программе не может повлиять непосредственно на память других приложений. Следует различать общий принцип защиты памяти и технологии ASLR или NX-бит.

Методы

Чаще всего реализуется в рамках виртуальной адресации памяти.

Сегментирование памяти

Основная статья: Сегментная защита памяти

Сегментирование памяти означает разбиение компьютерной памяти на фрагменты переменной длины, называемые сегментами (cм Сегментная адресация памяти).

В архитектуре x86 есть несколько режимов сегментации, которые могут использоваться для защиты памяти.^[1] В процессорах архитектуры x86, существуют Global Descriptor Table и Local Descriptor Table, описывающие сегменты памяти. Указатели на сегменты в подобных процессорах хранятся в специализированных сегментных регистрах. Изначально их было 4: CS (code segment), SS (stack segment), DS (data segment) и ES (extra segment); затем добавили еще два: FS и GS.^[1]

Страничная память

Основная статья: Страничная организация памяти

При страничной организации памяти, все адресное пространство делится на фрагменты фиксированного размера, называемые страницами. Их размер кратен степени 2, и обычно равен 4096, но возможно использование одновременно нескольких размеров страниц (4 кб, 2-4МБ в x86, от 4 до 256 кб в IA64). При помощи механизма виртуальной памяти, каждая страница виртуальной памяти может быть поставлена в соответствие любой странице физической памяти, либо помечена как защищенная. При помощи виртуальной памяти возможно использование линейного адресного пространства виртуальной памяти, которое на самом деле образовано фрагментированными участками адресного пространства физической памяти.

Многие архитектуры, использующие страничную организацию памяти, в том числе и наиболее популярная x86, реализуют защиту памяти на уровне страниц.

Таблица страниц используется для установления соответствия адресов в виртуальной памяти физическим адресам. Обычно эта таблица невидима для программы. Возможность установки в таблицах произвольных отображений позволяет легко выделить новую память, т.к. дополнительная страница, расположенная в нужном месте виртуального адресного пространства, может быть отображена на любую свободную страницу в оперативной памяти.

При таком отображении, приложение не имеет возможности обратиться к странице, отсутствующей в ее таблице страниц. Если при обращении по произвольному адресу не было найдено подходящее отображение, происходит исключительная ситуация page fault (PF).

Следует заметить, что page fault - это не фатальное событие. Эти прерывания могут использоваться не только для защиты памяти, но и другими способами. Так, ОС, перехватив PF, может загрузить страницу в память, например, если она была ранее выгружена на жесткий диск в процессе подкачки страниц, после чего приложение может продолжать работу. Такая схема позволяет прозрачным способом увеличить количество доступной приложениям памяти.

Механизм ключей защиты

Применялся в System/360, Itanium и PA-RISC.

Симуляция сегментации

Адресация основанная на Capability

Основная статья: :en:Capability-based addressing

Capability-based addressing редко применяется в коммерческих компьютерах. В системах с такой защитой памяти вместо указателей используются защищенные объекты (называемые capabilities), которые могут быть созданы лишь привилегированными инструкциями, исполняемыми либо ядром ОС либо специальными процессами. Использование такой защиты позволяет ограничивать доступ процессов к чужой памяти без использования раздельных адресных пространств и переключений контекста (сброса TLB, изменения глобальных дескрипторов). Использовались в исследовательских проектах KeyKOS, EROS; виртуальных машинах Smalltalk и Java.

Оценка уровня защиты

Защита памяти в различных ОС

Среди ОС, реализующих защиту памяти

• Microsoft Windows начиная с Windows NT 3.1 и Windows 95.
• Большая часть Unix-like систем, включая
  • Solaris
  • Linux
  • BSD
  • Mac OS X
  • GNU Hurd

Некоторые старые ОС жесткого реального времени не используют защиту памяти, даже на процессорах, где это возможно. Примером такой ОС является VxWorks версий до 5 включительно.

См. также

• Storage violation, for violation of memory protection
• Separation of protection and security
• Защищённый режим - механизмы защиты в x86

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer's Manuals: Volume 3A: System Programming Guide, Part 1; PDF

Ссылки

• Intel Developer Manuals — in-depth information on memory protection for Intel based architectures.