[linux-kernel] 커널 공간과 사용자 공간의 차이점은 무엇입니까?

CPU 링은 가장 분명한 차이점입니다

x86 보호 모드에서 CPU는 항상 4 개의 링 중 하나에 있습니다. Linux 커널은 0과 3 만 사용합니다.

• 커널의 경우 0
• 사용자를위한 3

이것은 커널과 사용자 영역 중 가장 어렵고 빠른 정의입니다.

Linux가 링 1과 2를 사용하지 않는 이유 : CPU Privilege Rings : 링 1과 2가 사용되지 않는 이유는 무엇입니까?

전류 링은 어떻게 결정됩니까?

현재 링은 다음의 조합으로 선택됩니다.

• 글로벌 디스크립터 테이블 : GDT 엔트리의 메모리 내 테이블이며, 각 엔트리는 Privl링을 인코딩 하는 필드 를 갖는다 .

  LGDT 명령어는 주소를 현재 설명자 테이블로 설정합니다.

  참조 : http://wiki.osdev.org/Global_Descriptor_Table

• 세그먼트는 GDT에서 엔트리의 인덱스를 가리키는 CS, DS 등을 등록한다.

  예를 들어, CS = 0GDT의 첫 번째 항목이 현재 실행 코드에 대해 활성화되어 있음을 의미합니다.

각 반지는 무엇을 할 수 있습니까?

CPU 칩은 물리적으로 다음과 같이 구성됩니다.

• 링 0은 무엇이든 할 수 있습니다

• 링 3은 여러 명령을 실행할 수 없으며 여러 레지스터에 쓸 수 있습니다.

  • 자신의 반지를 변경할 수 없습니다! 그렇지 않으면 자체가 링 0으로 설정 될 수 있으며 링은 쓸모가 없습니다.

    즉, 현재 링을 결정하는 현재 세그먼트 디스크립터를 수정할 수 없습니다 .

  • 페이지 테이블을 수정할 수 없습니다 : x86 페이징은 어떻게 작동합니까?

    즉, CR3 레지스터를 수정할 수 없으며 페이징 자체가 페이지 테이블 수정을 방지합니다.

    이것은 보안 / 편의 프로그래밍의 이유로 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 보지 못하게합니다.

  • 인터럽트 핸들러를 등록 할 수 없습니다. 메모리 위치에 쓰면 구성되며 페이징으로도 방지됩니다.

    처리기는 링 0에서 실행되며 보안 모델을 손상시킵니다.

    즉, LGDT 및 LIDT 명령어를 사용할 수 없습니다.

  • 같은 IO 지침을 할 수 없어 in하고 out, 따라서 임의의 하드웨어 액세스가 있습니다.

    그렇지 않으면, 예를 들어, 프로그램이 디스크에서 직접 읽을 수있는 경우 파일 권한이 쓸모가 없습니다.

    Michael Petch 덕분에 더 정확하게 는 OS가 링 3에서 IO 명령을 허용하는 것이 실제로 가능하며, 이는 실제로 작업 상태 세그먼트에 의해 제어됩니다 .

    불가능한 것은 링 3이 처음에 그것을 가지고 있지 않은 경우 링 3에 권한을 부여하는 것입니다.

    리눅스는 항상 그것을 허용하지 않습니다. 참고 : Linux가 TSS를 통해 하드웨어 컨텍스트 스위치를 사용하지 않는 이유는 무엇입니까?

프로그램과 운영 체제는 링간에 어떻게 전환됩니까?

• CPU가 켜질 때, 링 0에서 초기 프로그램을 실행하기 시작합니다 (좋은 종류이지만 근사치입니다). 이 초기 프로그램을 커널이라고 생각할 수 있습니다 (그러나 일반적으로 링 0으로 커널을 호출하는 부트 로더입니다 ).

• 유저 랜드 프로세스가 커널이 파일에 쓰는 것과 같은 일을하기를 원할 때, 커널과 같은 인터럽트를 발생 시키 int 0x80거나syscall 신호를 보내는 명령을 사용합니다 . x86-64 Linux syscall hello world 예제 :

  .data
  hello_world:
      .ascii "hello world\n"
      hello_world_len = . - hello_world
  .text
  .global _start
  _start:
      /* write */
      mov $1, %rax
      mov $1, %rdi
      mov $hello_world, %rsi
      mov $hello_world_len, %rdx
      syscall
  
      /* exit */
      mov $60, %rax
      mov $0, %rdi
      syscall
  

  컴파일하고 실행하십시오.

  as -o hello_world.o hello_world.S
  ld -o hello_world.out hello_world.o
  ./hello_world.out
  

  GitHub의 상류 .

  이 경우 CPU는 부팅시 커널이 등록한 인터럽트 콜백 핸들러를 호출합니다. 다음은 핸들러를 등록하고 사용 하는 구체적인 베어 메탈 예제입니다 .

  이 핸들러는 링 0에서 실행되며,이 커널은 커널이이 조치를 허용하는지, 조치를 수행하고, 링 3에서 userland 프로그램을 다시 시작할 것인지 결정합니다. x86_64

• 때 exec시스템 호출을 사용하는 (또는 경우 커널 시작한다/init ), 커널은 레지스터와 메모리를 준비하고 , 새로운 유저 기반 프로세스를 다음의 엔트리 포인트로 점프 링 (3)에 CPU 스위치

• 프로그램이 금지 된 레지스터 또는 메모리 주소에 쓰기 (페이징 때문에)와 같은 잘못된 작업을 시도하면 CPU는 링 0에서 일부 커널 콜백 핸들러를 호출합니다.

  그러나 사용자 영역이 좋지 않기 때문에 커널은 이번에 프로세스를 종료하거나 신호와 함께 경고를 줄 수 있습니다.

• 커널이 부팅 될 때 일정한 고정 주파수로 하드웨어 클록을 설정하여 주기적으로 인터럽트를 생성합니다.

  이 하드웨어 클럭은 링 0을 실행하는 인터럽트를 생성하고 어떤 사용자 프로세스가 깨어날 지 예약 할 수 있습니다.

  이런 식으로 프로세스가 시스템 호출을하지 않더라도 스케줄링이 발생할 수 있습니다.

여러 개의 고리가있는 점은 무엇입니까?

커널과 사용자 영역을 분리하면 두 가지 주요 이점이 있습니다.

• 하나는 다른 하나를 방해하지 않을 것이기 때문에 프로그램을 만드는 것이 더 쉽습니다. 예를 들어, 한 사용자 프로세스는 페이징으로 인해 다른 프로그램의 메모리를 덮어 쓰거나 다른 프로세스에 대해 하드웨어를 유효하지 않은 상태로 만드는 것에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
• 더 안전합니다. 예를 들어 파일 권한과 메모리 분리는 해킹 앱이 은행 데이터를 읽지 못하게 할 수 있습니다. 이것은 물론 커널을 신뢰한다고 가정합니다.

어떻게 놀아?

링을 직접 조작하는 좋은 방법이어야하는 베어 메탈 셋업을 만들었습니다 : https://github.com/cirosantilli/x86-bare-metal-examples

불행히도 userland 예제를 만들려는 인내심은 없었지만 페이징 설정까지 진행 했으므로 userland가 가능해야합니다. 풀 요청을보고 싶습니다.

또는 Linux 커널 모듈은 링 0으로 실행되므로이를 사용하여 권한있는 작업을 시도 할 수 있습니다 (예 : 제어 레지스터 읽기 : 프로그램에서 제어 레지스터 cr0, cr2, cr3에 액세스하는 방법)? 세그먼테이션 결함 얻기

다음은 편리한 QEMU + Buildroot 설정 으로 호스트를 종료하지 않고 사용해 볼 수 있습니다.

커널 모듈의 단점은 다른 kthread가 실행 중이고 실험을 방해 할 수 있다는 것입니다. 그러나 이론적으로 커널 모듈로 모든 인터럽트 핸들러를 인수하고 시스템을 소유 할 수 있습니다. 실제로는 흥미로운 프로젝트입니다.

네거티브 링

음수 링은 실제로 인텔 설명서에서 참조되지 않지만 실제로 링 0보다 더 많은 기능을 가진 CPU 모드가 있으므로 “음의 링”이름에 적합합니다.

한 가지 예로 가상화에 사용되는 하이퍼 바이저 모드가 있습니다.

자세한 내용은 다음을 참조하십시오.

• /security/129098/what-is-protection-ring-1
• /security/216527/ring-3-exploits-and-existence-of-other-rings

팔

ARM에서는 링을 예외 수준이라고하지만 주요 아이디어는 동일하게 유지됩니다.

ARMv8에는 다음과 같이 일반적으로 사용되는 4 가지 예외 수준이 있습니다.

• EL0 : 유저 랜드

• EL1 : 커널 (ARM 용어에서 “감독자”).

  Linux 시스템 호출을 수행하는 데 사용되는 명령 인 이전 통합 어셈블리svc 로 알려진 명령 (SuperVisor Call) 과 함께 입력되었습니다 . Hello world ARMv8 예제 :swi

  안녕하세요 .S

  .text
  .global _start
  _start:
      /* write */
      mov x0, 1
      ldr x1, =msg
      ldr x2, =len
      mov x8, 64
      svc 0
  
      /* exit */
      mov x0, 0
      mov x8, 93
      svc 0
  msg:
      .ascii "hello syscall v8\n"
  len = . - msg
  

  GitHub의 상류 .

  Ubuntu 16.04에서 QEMU를 사용하여 테스트하십시오.

  sudo apt-get install qemu-user gcc-arm-linux-gnueabihf
  arm-linux-gnueabihf-as -o hello.o hello.S
  arm-linux-gnueabihf-ld -o hello hello.o
  qemu-arm hello
  

  다음은 SVC 핸들러 를 등록하고 SVC 호출을 수행하는 구체적인 베어 메탈 예제입니다 .

• EL2 : 하이퍼 바이저 예를 들어, 젠 .

  hvc지침 (HyperVisor Call) 과 함께 입력했습니다 .

  하이퍼 바이저는 OS에 대한 것이며 OS는 사용자 영역에 있습니다.

  예를 들어 Xen을 사용하면 동일한 시스템에서 Linux 또는 Windows와 같은 여러 OS를 동시에 실행할 수 있으며 Linux가 사용자 프로그램에 대해하는 것처럼 보안 및 디버그 용이성을 위해 OS를 서로 분리합니다.

  하이퍼 바이저는 오늘날 클라우드 인프라의 핵심 부분입니다. 단일 서버에서 여러 서버를 실행하여 하드웨어 사용량을 항상 100 %에 가깝게 유지하고 많은 비용을 절약 할 수 있습니다.

  예를 들어, AWS는 KVM으로 이동 했을 때 2017 년까지 Xen을 사용 했습니다 .

• EL3 : 또 다른 수준. TODO 예.

  smc지침 과 함께 입력 (보안 모드 호출)

ARMv8 아키텍처 참조 모델 DDI 0487C.a는 – 장 D1 일 – AArch64 시스템 레벨 프로그래머 모델 – 그림 D1-1 아름답게이 보여

ARMv8.1 ARM V8.1 (Virtualization Host Extensions) 의 등장으로 ARM 상황이 약간 바뀌 었습니다 . 이 확장을 통해 커널은 EL2에서 효율적으로 실행될 수 있습니다.

VHE는 KVM과 같은 Linux 내 커널 가상화 솔루션이 Xen보다 우위를 점했기 때문에 만들어졌습니다 (예 : 위에서 언급 한 AWS의 KVM으로 이동 참조). 대부분의 클라이언트는 Linux VM 만 필요하고 상상할 수 있듯이 모두 단일 KVM은 Xen보다 간단하고 잠재적으로 더 효율적입니다. 따라서 이제는 호스트 Linux 커널이 하이퍼 바이저 역할을합니다.

가늠자의 이점으로 인해 ARM이 음수 수준을 필요로하지 않고 x86보다 권한 수준에 대해 더 나은 명명 규칙을 갖는 방법에 유의하십시오. 0은 낮고 3은 높습니다. 높은 레벨은 낮은 레벨보다 자주 생성되는 경향이 있습니다.

현재 EL은 다음 MRS명령 으로 쿼리 할 수 ​​있습니다 . 현재 실행 모드 / 예외 수준 등은 무엇입니까?

ARM은 칩 영역을 절약하는 기능이 필요하지 않은 구현을 허용하기 위해 모든 예외 수준을 제시 할 필요는 없습니다. ARMv8 “예외 수준”에서는 다음과 같이 말합니다.

구현에 모든 예외 레벨이 포함되지 않을 수 있습니다. 모든 구현에는 EL0 및 EL1이 포함되어야합니다. EL2 및 EL3은 선택 사항입니다.

예를 들어 QEMU의 기본값은 EL1이지만 EL2 및 EL3은 명령 줄 옵션으로 활성화 할 수 있습니다. qemu-system-aarch64는 a53 전원을 에뮬레이션 할 때 el1을 입력합니다.

코드 스 니펫은 Ubuntu 18.10에서 테스트되었습니다.

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