Protectieringen en privileges

Heb je je ooit afgevraagd hoe je apps gescheiden worden gehouden van het besturingssysteem? Of hoe een kwaadaardig programma niet zomaar je computer kan overnemen?

Het antwoord ligt in privilegeringen, een belangrijke beveiligingsfunctie van x86-processors!

Privilegeringen creëren een hiërarchische structuur voor het uitvoeren van software. Zie ze als beveiligingsniveaus.

• Isolatie: voorkomt dat gebruikersprogramma's het besturingssysteem laten crashen.
• Beveiliging: beschermt kritieke systeembronnen.
• Stabiliteit: zorgt ervoor dat het systeem betrouwbaar werkt.

Ring 0 is het niveau met de meeste bevoegdheden. Hier bevindt zich de kernel van het besturingssysteem.

De kernel heeft rechtstreeks toegang tot alle hardware, het geheugen en de functies van de CPU. Hij is de hoogste autoriteit en beheert alles zonder beperkingen.

Ring 3 is het niveau met de minste bevoegdheden. Hier worden de meeste dagelijkse toepassingen uitgevoerd.

Gebruikerstoepassingen hebben beperkte toegang tot hardware en geheugen. Ze moeten de kernel (Ring 0) om diensten vragen om bewerkingen met extra bevoegdheden uit te voeren.

De x86-architectuur definieert 4 bevoegdheidsniveaus: Ring 0, Ring 1, Ring 2 en Ring 3.

Moderne besturingssystemen zoals Linux en Windows gebruiken echter meestal alleen:

• Ring 0: voor de kernel van het besturingssysteem.
• Ring 3: voor gebruikerstoepassingen.

Ring 1 en Ring 2 worden meestal niet gebruikt, waardoor het model voor de meeste systemen eenvoudiger blijft.

De CPU houdt het Current Privilege Level (CPL) bij van de code die momenteel wordt uitgevoerd.

Het CPL wordt opgeslagen in het Code Segment (CS)-register, specifiek in de laagste twee bits. Het vertelt de CPU in welke ring het programma momenteel werkt.

Elke segmentdescriptor, die geheugensegmenten definieert, heeft een Descriptor Privilege Level (DPL).

Het DPL geeft het minimale bevoegdheidsniveau aan dat nodig is om toegang te krijgen tot dat segment. Een codesegment van Ring 0 heeft bijvoorbeeld een DPL van 0.

Het Requestor Privilege Level (RPL) geeft het bevoegdheidsniveau aan van de code die toegang tot een segment heeft aangevraagd.

De CPU gebruikt CPL, DPL en RPL om beveiligingsregels af te dwingen. Een programma in Ring 3 kan bijvoorbeeld geen codesegment van Ring 0 laden, zelfs niet als het probeert het systeem te misleiden.

Hoe vraagt een toepassing in Ring 3 aan de kernel in Ring 0 om iets met extra bevoegdheden te doen, zoals naar een bestand schrijven?

Daarvoor gebruikt de toepassing een gecontroleerd mechanisme dat een systeemaanroep of syscall wordt genoemd. Systeemaanroepen zijn als "poorten" die veilige, beperkte overgangen naar een hoger bevoegdheidsniveau en terug mogelijk maken.

Rechtstreekse hardware-I/O via de instructies IN en OUT vereist zeer veel bevoegdheden. Een programma in gebruikersmodus (Ring 3) dat dit probeert, veroorzaakt meestal een General Protection Fault.

De CPU controleert het I/O Privilege Level (IOPL) in het EFLAGS-register. Als het Current Privilege Level (CPL) numeriek kleiner dan of gelijk aan IOPL is, is rechtstreekse I/O toegestaan. Anders wordt de bewerking geblokkeerd.

Dit voorbeeld probeert uit een I/O-poort te lezen. Op een modern besturingssysteem mislukt dit waarschijnlijk met een beveiligingsfout of wordt het programma beëindigd. Het toont de beperking:

Goed gedaan! Je hebt de x86-privilegeringen geleerd.

• Ring 0: kernel van het besturingssysteem, hoogste bevoegdheid.
• Ring 3: gebruikerstoepassingen, laagste bevoegdheid.
• CPL, DPL, RPL: mechanismen van de CPU voor bevoegdheidscontroles.
• Systeemaanroepen: gecontroleerde overgangen naar hogere bevoegdheidsniveaus.
• IOPL: beperkt rechtstreekse toegang tot I/O.

Deze ringen zijn essentieel voor de beveiliging en stabiliteit van het systeem, omdat ze verschillende softwareonderdelen van elkaar isoleren.