Linux從頭學(xué):特權(quán)級(jí)文章帶你了解操作系統(tǒng)
目錄
CPL:當(dāng)前特權(quán)級(jí)
DPL:描述符特權(quán)級(jí)
RPL:請(qǐng)求者特權(quán)級(jí)
特權(quán)級(jí)檢查規(guī)則
代碼段的檢查規(guī)則
數(shù)據(jù)段的檢查規(guī)則
棧段的檢查規(guī)則
x86 處理器中,提供了4個(gè)特權(quán)級(jí)別:0,1,2,3。數(shù)字越小,特權(quán)級(jí)別越高!
一般來(lái)說(shuō),操作系統(tǒng)是的重要性、可靠性是最高的,需要運(yùn)行在 0 特權(quán)級(jí);
應(yīng)用程序工作在最上層,來(lái)源廣泛、可靠性最低,工作在 3 特權(quán)級(jí)別。
中間的1 和 2 兩個(gè)特權(quán)級(jí)別,一般很少使用。
理論上來(lái)講,可以把那些可靠性介于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的程序安排在這兩個(gè)特權(quán)級(jí)上。
在處理器中,有3個(gè)相關(guān)的術(shù)語(yǔ)與特權(quán)級(jí)密切相關(guān):
CPL: Current Privilege Level 當(dāng)前特權(quán)級(jí);
DPL: Descriptor Privilege Level 描述符特權(quán)級(jí);
RPL: Requestor Privilege Level 請(qǐng)求特權(quán)級(jí);
理解了這3個(gè)特權(quán)級(jí)的保護(hù)規(guī)則,就理解了操作系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的終極密碼!
CPL:當(dāng)前特權(quán)級(jí)
當(dāng)前特權(quán)級(jí),是指當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼的特權(quán)級(jí)別,它由當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼段寄存器cs中的bit[1 ~ 0]來(lái)決定:
cs 寄存器中的最低兩位怎么寫的是 RPL?
原因是這樣的:我們?cè)趫?zhí)行一段代碼之前,這段代碼位于內(nèi)存中的一段空間中,而它的代碼段描述符位于LDT局部描述符表中,如下圖所示:
假設(shè)現(xiàn)在想進(jìn)入這個(gè)代碼段中執(zhí)行,那么我們就需要給代碼段寄存器 cs 賦值為:0x0007 (0000_0000_0000_0111)。
此時(shí)cs寄存器中當(dāng)前內(nèi)容的低兩位就稱作:當(dāng)前優(yōu)先級(jí),而準(zhǔn)備賦值給cs的值是 0x0007,這個(gè)0x0007就稱作選擇子。
按照選擇子的結(jié)構(gòu)來(lái)解析:
RPL: bit[1 ~ 0] = 11B,十進(jìn)制就是 3,就表示這個(gè)選擇子的請(qǐng)求特權(quán)級(jí)別是 3;
TI: bit[2] = 1B,表示到 LDT 中查找段描述符;
索引號(hào):bit[15 ~ 3] 的索引值為 0,表示到 LDT 中偏移量為 0 (0 = 0 * 4, 每個(gè)描述符占據(jù) 4 個(gè)字節(jié)) 的位置獲取段描述符;
當(dāng)處理器進(jìn)行一系列權(quán)限檢查之后,允許進(jìn)入這段代碼中去執(zhí)行,那么就設(shè)置 cs = 0x0007。
此時(shí)cs寄存器中的最低2位就等于選擇子中的 RPL,也就是 3。
在一般情況下,CPL都是等于RPL的。
DPL:描述符特權(quán)級(jí)
DPL 指的是一個(gè)段描述符中,用來(lái)指定這個(gè)描述符所代表的段,具有什么樣的特權(quán)級(jí)別。
關(guān)于描述符的結(jié)構(gòu),如下圖所示:
bit[14 ~ 13]就表示這個(gè)段描述符的特權(quán)級(jí)別。
當(dāng)請(qǐng)求訪問(wèn)一個(gè)段時(shí)(不論是數(shù)據(jù)段,還是代碼段),處理器在GDT或者LDT中找到段描述符之后,就會(huì)把CPL、RPL與描述符中的 DPL 進(jìn)行比較。只有滿足一定的規(guī)則,才允許訪問(wèn)這個(gè)描述符所指向的那個(gè)段。
具體的比較規(guī)則,下文有描述。
RPL:請(qǐng)求者特權(quán)級(jí)
剛才的CPL內(nèi)容中,已經(jīng)描述了RPL是什么東西,它倆是密切相關(guān)的。
但是,有時(shí)候 CPL 與 RPL 并不相同。
比如:
一個(gè)用戶程序,想通過(guò)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)函數(shù),去訪問(wèn)內(nèi)存中的一塊用戶程序自己的內(nèi)存空間(數(shù)據(jù)段)。
用戶程序需要告訴操作系統(tǒng):訪問(wèn)哪一個(gè)數(shù)據(jù)段,偏移量是多少。
這些信息需要把一個(gè)選擇子通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)賦值給數(shù)據(jù)段寄存器 ds。
假設(shè)選擇子是 0x000F(二進(jìn)制:0000_0000_0000_1111):
索引號(hào):1;
TI: 使用 LDT;
RPL: 3;
也就是說(shuō):當(dāng)操作系統(tǒng)接受用戶程序的請(qǐng)求之后,開始執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)時(shí),此時(shí)的CPL是操作系統(tǒng)的特權(quán)級(jí)別 0。
此時(shí)操作系統(tǒng)需要把一個(gè)選擇子賦值給數(shù)據(jù)段寄存器 ds,而這個(gè)選擇子是由用戶程序作為參數(shù)傳遞給操作系統(tǒng)的。
在這個(gè)場(chǎng)景中:CPL = 0, RPL = 3,它倆就不相等。
操作系統(tǒng)用這個(gè)選擇子0x000F到用戶程序的LDT中,根據(jù)索引號(hào)1找到數(shù)據(jù)段描述符之后,把CPL(0)、RPL(3)與描述符中的 DPL 進(jìn)行比較,來(lái)判斷是否有權(quán)限訪問(wèn)這個(gè)數(shù)據(jù)段。
用戶程序的數(shù)據(jù)段 DPL 一定是 3,這是由操作系統(tǒng)在加載程序之初就決定好的;
根據(jù)下文的特權(quán)級(jí)檢查規(guī)則,這樣的訪問(wèn)是允許的;
其實(shí)這里有一個(gè)隱患:
假如用戶程序是一個(gè)惡意程序,它想破壞操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù),于是就傳入一個(gè)指向操作系統(tǒng)數(shù)段的選擇子:0x0010(二進(jìn)制:0000_0000_0001_0000):
索引號(hào):2(假設(shè)通過(guò)其它途徑,知道操作系統(tǒng)的某個(gè)數(shù)據(jù)段位于 GDT 的第 2 個(gè)表項(xiàng));
TI: 使用 GDT;
RPL: 0;
此時(shí),如果操作系統(tǒng)很無(wú)腦的就原樣接收了用戶程序的調(diào)用請(qǐng)求,就會(huì)通過(guò)GDT找到屬于操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)段進(jìn)行破壞性操作。
操作系統(tǒng)不會(huì)這么傻的,它在接收用戶程序請(qǐng)求的時(shí)候,會(huì)嚴(yán)格檢查用戶程序傳入的參數(shù)。
如果它發(fā)現(xiàn)運(yùn)行在 3 特權(quán)級(jí)的用戶程序,傳入一個(gè) 0 特權(quán)級(jí)的 RPL,就會(huì)警覺(jué):請(qǐng)求特權(quán)級(jí)竟然比你自己的運(yùn)行特權(quán)級(jí)還高,你想干什么?
于是,操作系統(tǒng)就會(huì)把選擇子中的RPL修改為用戶程序的當(dāng)前特權(quán)級(jí) CPL。
就好比:一個(gè)村長(zhǎng)去找市長(zhǎng)辦事,訴求是:想在自己村的集體土地上蓋一座廠房。市長(zhǎng)認(rèn)為:這是你們村自己的土地,你可以隨便折騰,準(zhǔn)許。
但是,如果村長(zhǎng)的訴求是:想在市民廣場(chǎng)的旁邊蓋一座廠房。此時(shí)市長(zhǎng)就會(huì)呵斥:這個(gè)地方不是你們村的一畝三分地,想干啥就干啥,滾開!
特權(quán)級(jí)檢查規(guī)則 代碼段的特權(quán)級(jí)檢查
一般情況下,只允許兩個(gè)特權(quán)級(jí)相同的代碼段進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
例如:
從用戶程序的一個(gè)代碼段(CPL = 3),跳轉(zhuǎn)到另一個(gè) DPL = 3 的代碼段;
從操作系統(tǒng)的一個(gè)代碼段(CPL = 0),跳轉(zhuǎn)到另一個(gè) DPL = 0 的代碼段;
但是處理器也提供了一些特殊途徑,讓低特權(quán)級(jí)的代碼可以轉(zhuǎn)移到高特權(quán)級(jí)的代碼中去執(zhí)行:
如果在高特權(quán)級(jí)代碼段描述中的 TYPE 字段中,C = 1,就允許低特權(quán)級(jí)的代碼轉(zhuǎn)移進(jìn)來(lái);
通過(guò)調(diào)用門,低特權(quán)級(jí)代碼也可以轉(zhuǎn)移到高特權(quán)級(jí)的代碼段;
這里主要描述第一種情況,也就是當(dāng)目標(biāo)代碼段描述符的TYPE字段中 C = 1,也就是所謂的依從代碼,或者一致性代碼。
也即是說(shuō):如果 TYPE.C = 1,那么處理器就允許:比這個(gè)描述符的 DPL 更低特權(quán)級(jí)的代碼,轉(zhuǎn)移到這個(gè)代碼中來(lái)執(zhí)行。
在數(shù)值上就是:(特權(quán)級(jí)越低,數(shù)值越大)
CPL >= DPL
RPL >= DPL
例如:操作系統(tǒng)中有2個(gè)代碼段,它們的描述符中的C標(biāo)志位不同:
此刻正在執(zhí)行一個(gè)用戶程序: CPL = 3。
那么用戶程序就可以轉(zhuǎn)移到代碼段 2中去執(zhí)行,不可以轉(zhuǎn)移到代碼 1中。
并且,轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)的代碼段2 之后,當(dāng)前特權(quán)級(jí)CPL保持不變,仍然為 3。
有兩個(gè)類比:
1. 類似于 Linux 中的 sudo 指令
如果一條指令需要root權(quán)限,我們可以使用su -指令,把身份轉(zhuǎn)換到 root,然后再去執(zhí)行。
此時(shí)所有的身份、環(huán)境變量等信息,都是root用戶的。
我們還可以直接使用sudo指令,這時(shí)就相當(dāng)于是臨時(shí)提升了用戶的權(quán)限,但是那些環(huán)境變量等信息,依然是當(dāng)前用戶的,而不是 root 用戶的。
2. 村長(zhǎng)找市長(zhǎng)辦貸款
村長(zhǎng)去市里的銀行申請(qǐng)貸款,但是自己的權(quán)力不夠,銀行不鳥他,于是村長(zhǎng)就去找市長(zhǎng)幫忙。
于是,市長(zhǎng)就給村長(zhǎng)一個(gè)親筆介紹信,村長(zhǎng)帶著這封信到銀行之后,銀行一看:有市長(zhǎng)大人的背書,于是就給村長(zhǎng)辦理貸款手續(xù)了。
但是,在辦理手續(xù)的過(guò)程中,所有需要簽字的地方,只能寫村長(zhǎng)自己(特權(quán)級(jí)不變),而不能寫市長(zhǎng)的名字。
另外,對(duì)于上圖中的代碼段1,由于其C標(biāo)志位是 0,只能允許相同特權(quán)級(jí)的程序轉(zhuǎn)移進(jìn)來(lái),從數(shù)值上表示就是:
CPL == DPL
RPL == DPL
最后還有一點(diǎn)需要記住:高特權(quán)級(jí)的代碼,永遠(yuǎn)都不能轉(zhuǎn)移到低特權(quán)級(jí)的代碼。就好比:市長(zhǎng)永遠(yuǎn)都不會(huì)以村長(zhǎng)的身份去辦事。
數(shù)據(jù)段的特權(quán)級(jí)檢查
數(shù)據(jù)段的特權(quán)級(jí)檢查規(guī)則比較簡(jiǎn)單:高特權(quán)級(jí)的程序,可以訪問(wèn)低特權(quán)級(jí)的數(shù)據(jù),反之不可以。
從數(shù)值上表示就是:
CPL <= DPL
RPL <= DPL
棧段的特權(quán)級(jí)檢查
棧段的特權(quán)級(jí)檢查規(guī)則,也比較簡(jiǎn)單,x86 處理器要求當(dāng)前特權(quán)級(jí) CPL 必須與目標(biāo)棧段的 DPL 相同。
從數(shù)值上表示就是:
CPL == DPL
RPL == DPL
為了滿足這個(gè)要求,當(dāng)從用戶程序(CPL = 3)轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)(DPL = 0)時(shí),如果是通過(guò)依存(一致性)代碼段轉(zhuǎn)移進(jìn)去,當(dāng)前特權(quán)級(jí)是不變的,此時(shí)使用的棧仍然是用戶程序的?臻g。
如果是通過(guò)其他途徑轉(zhuǎn)移進(jìn)去(eg: 調(diào)用門),當(dāng)前特權(quán)級(jí)發(fā)生了變化(CPL = 0),此時(shí)使用的棧就必須是 0 特權(quán)級(jí)下的?臻g了。
因此,操作系統(tǒng)在加載這個(gè)用戶程序的時(shí)候,就需要提前申請(qǐng)一塊?臻g,以準(zhǔn)備在以上這樣的場(chǎng)景中使用。
在Linux系統(tǒng)中,只用了0 和 3這兩個(gè)特權(quán)級(jí),因此每一個(gè)用戶程序只需要提前準(zhǔn)備好0特權(quán)級(jí)下使用的棧就可以了。
如果一個(gè)操作系統(tǒng)使用了0 ~ 3所有的四個(gè)特權(quán)級(jí),那么操作系統(tǒng)就必須為:運(yùn)行在3特權(quán)級(jí)下的用戶程序準(zhǔn)備3個(gè)?臻g,用于該用戶程序轉(zhuǎn)移到特權(quán)級(jí) 0、1、2 下作為?臻g來(lái)使用。
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