OS 中的保护环

操作系统中的保护环，通常也称为特权环或保护域，是一种操作系统设计概念，用于定义运行代码的不同特权级别或访问权限。通过根据进程的可靠性程度和它们执行的敏感任务对它们进行分组，这种分层结构有助于提高操作系统的稳定性和安全性。保护环通常以同心环的形式使用，其中数字越大的环表示的特权级别越低。

一个具有多个环——通常编号从 0 到 3 或 0 到 4——的系统称为保护环模型。环 0 拥有最高的特权，而环 3（或最高环）拥有最低的特权。内核（或核心操作系统）在大多数情况下独占访问环 0，正因为如此，它对硬件和系统资源拥有完全控制权。这对于执行关键任务和相关的硬件控制至关重要。

大多数人类应用程序在环 3 运行，这使得其他应用程序对系统的访问级别最低。其目的是使程序不会有意损坏操作系统或篡改其基本功能。一个进程必须请求操作系统暂时切换到更高特权的环才能执行特权活动。这个系统确保某些特权命令只能由可信和批准的代码执行。

保护环是当代操作系统的基本组成部分，对计算机环境的整体稳定性和安全性起着重要作用。它们降低了系统故障或恶意活动的可能性，隔离了操作，并有助于防止未经授权的访问。随着技术的发展，保护环模型可以扩展或修改，以满足计算机系统不断变化的安全需求。

保护环的两个重要用途

保护环对于确保当代操作系统的安全性、稳定性和完整性至关重要。保护环有助于控制特权访问和隔离进程以提高安全性。

1. 特权访问控制

• 使用保护环在操作系统内部建立特权访问控制至关重要。在典型的保护环方案中，内核或操作系统核心通常分配给编号最低的环，通常是环 0。此环受益于对所有系统资源的访问、被允许执行特权指令以及能够直接与硬件通信，拥有最高程度的特权。
• 位于最高特权环中的操作系统内核负责设备驱动程序、进程调度、内存管理和其他基本系统操作。操作系统通过特权环限制这些操作，防止不受信任和未经授权的代码执行关键操作。用户程序被拒绝直接访问或修改关键系统资源，并且它们的操作系统环高于它们，这有效地保护了关键系统资源。
• 操作系统的基本操作是神圣不可侵犯的；因此，分离特权至关重要。如果所有进程都对基本系统组件拥有绝对访问权限，那么安全漏洞和系统不稳定的可能性将大大增加。因此，保护环提供了一种安全机制，可以限制错误或恶意代码可能对系统造成的最大损害。

2. 进程隔离以实现安全性和稳定性

• 启用进程隔离是保护环的关键用途。在不同保护环内运行的进程彼此隔离，并表示不同的特权级别。操作系统内核位于最高特权环中，而用户程序通常在最低特权环中执行，例如环 3。
• 由于进程隔离，一个进程不能直接访问或干扰另一个进程的内存区域。进程故障或受损的后果被限制在该特定进程内，不会影响整个系统的稳定性。因此，病毒或漏洞也无法通过这种隔离传播。
• 保护环通过防止进程意外或有意更改重要的系统数据结构来增加稳定性。例如，分配给保护环的特权级别限制了对内核内存的未经授权访问，从而降低了系统崩溃的可能性，并提高了操作系统的整体可靠性。
• 简而言之，保护环在使操作系统更安全、更稳定方面做了两件重要的事情：它们提供特权访问控制和进程隔离。这些保护措施有助于提供一个全面的计算环境，抵御对宝贵系统资源的未经授权访问，减弱故障的影响，并保护有风险的进程。

保护环的级别

操作系统使用保护环，通常也称为特权级别或保护域，作为一种分层结构来管理和限制对系统资源的访问。通常，保护环的编号在 0 到 3 或 0 到 4 之间，编号越低的环拥有越多的权限。保护环的层级简要解释如下：

1. 内核模式（环 0）

• 操作系统内核独占访问此级别，这是最高特权级别。
• 内核在环 0 中可以自由访问硬件、内存和系统的其他重要资源。
• 内存管理、中断处理和执行用户模式程序无法执行的特权指令是内核模式活动的示例。

2. 环 1

• 在历史上，一些设计在内核和用户模式之间增加了一个额外的环，但今天不常使用。
• 如果存在，环 1 可以由一些未集成到主内核但确实需要更高特权的受信任系统进程使用。

3. 环 2

• 与环 1 类似，环 2 在当代操作系统中不常发现。
• 它在某些旧系统中保留用于更高程度的特权，但其使用已逐渐淘汰，转而采用更简单的保护机制。

4. 用户模式（环 3）

• 这是最低特权级别，大多数软件和用户应用程序在此级别运行。
• 环 3 中的应用程序无法直接操作硬件或执行特权指令，因为它们对系统资源的访问受到限制。
• 为了维护系统稳定性和安全性，大多数用户进程——例如文字处理器、网页浏览器和游戏——在环 3 中运行。

保护环范式明确区分了高度可信的内核和较少可信的用户级进程。一个进程必须请求操作系统暂时切换到更高特权的环才能执行特权活动。这种分层结构通过帮助防止未经授权的访问和保证关键系统操作的完整性来提高操作系统的整体安全性和稳定性。通过限制对重要系统组件的未经授权访问并协助维护系统稳定性，这种分层方法提高了安全性。为了保护操作系统的完整性并减轻潜在安全威胁或系统故障的影响，特权级别的划分至关重要。随着技术的发展，保护环范式可能会改变，以满足当代计算环境中的新安全需求和困难。

保护环模式

除了内核模式和用户模式之外，一些操作系统还在保护环概念中提供了主管模式和管理程序模式作为附加模式。这些模式以特定方式促进虚拟化和管理系统资源。

1. 主管模式（也称为系统模式或特权模式）

• 特权级别：主管模式，通常与保护环概念中的环 0 相关联，以更高权限运行。
• 内核执行是指操作系统内核执行基本系统任务的模式，例如监督内存操作、处理中断和管理硬件资源。
• 直接访问：主管模式可以执行用户模式程序无法执行的特权命令，因为它拥有对系统资源的完全访问权限。
• 主管模式在操作系统内提供甚至更高程度的特权，本质上是内核模式的扩展。主管模式通常保留给受信任的组件，例如内核和某些设备驱动程序，它用于需要对系统完全控制的任务。

2. 管理程序模式（也称为虚拟机监控程序模式或虚拟化模式）

• 管理程序模式是专门为虚拟化场景而创建的，其中多个虚拟机 (VM) 在单个物理系统上运行，并用于虚拟化管理。
• 特权级别：根据虚拟化架构，管理程序模式通常以最高特权级别运行，该级别与主管模式相当或高于主管模式。
• 资源分配：在此模式下，管理程序（也称为虚拟机监控程序 (VMM)）管理对各种虚拟机的物理资源分配。它确保虚拟机彼此隔离并监督它们的执行。
• 虚拟化技术需要管理程序模式才能在单个物理计算机上同时运行多个操作系统。虚拟机 (VM) 由管理程序创建和管理，每个虚拟机运行自己的操作系统和应用程序。通过在虚拟化环境和硬件之间创建一层抽象，它确保了有效的资源分离和利用。

模式之间的交互

促进虚拟化的系统可能具有特权级别的分层结构。例如，管理程序可能以最高特权运行，监督许多虚拟机 (VM)，每个虚拟机都有自己的安全区域。

访客操作系统以类似于虚拟机 (VM) 中的用户方式运行，而管理程序控制虚拟机与底层硬件之间的转换。

主管模式和管理程序模式的重要性

• 管理程序模式对于有效的虚拟化至关重要，因为它允许在单个物理计算机上共存多个独立环境。
• 有效的资源管理确保安全地执行特权操作，并对虚拟化环境进行分离和 регулиation。主管模式和管理程序模式都对此有所贡献。
• 保护环模型的专用模式，即主管模式和管理程序模式，为基本系统操作提供了提升的特权，并允许在现代计算场景中进行虚拟化。特别是在虚拟化和管理单个物理机器上的多个操作系统实例的背景下，这些模式对于操作系统系统化和有效运行至关重要。

保护环的优点

保护环通过在操作系统中提供各种优势来提高计算机系统的安全性、可靠性和效率。以下是保护环的一些主要优点：此时应获得更好的沟通技巧，但无需将良好的英语与当地俚语混淆。

1. 特权分离

• 保护环具有分层结构，将不太可靠的用户级活动置于编号较高的环中，而操作系统内核执行的最重要活动则置于编号最低的环中。
• 通过将这些不可靠的部分限制为仅保留受信任的特权指令和基本系统功能，当前方案可防止未经授权的访问以及恶意或系统缺陷引起的安全漏洞。

2. 安全性增强

• 保护环通过将重要的系统操作限制在最高特权的保护环（通常是环 0 或内核模式）来降低未经授权访问和操纵系统资源的可能性。
• 因此，操作系统更好地防范了潜在威胁、未经授权的更改和恶意活动。

3. 进程隔离

• 保护环使在用户级别彼此隔离进程变得更容易。为了避免直接干扰内存空间或其他进程的操作，每个进程都在其保护环内运行。
• 由于这种隔离，单个进程中的错误或故障对系统整体稳定性的影响减小了。

4. 故障隔离

• 如果用户级进程出现错误或故障，保护环有助于限制对特定进程的影响。
• 操作系统最重要​​的系统组件位于编号较低的环中，并保持不变，从而维护了操作系统的稳定性和可靠性。

5. 系统稳定性

• 通过禁止用户级程序直接访问或更改关键系统数据结构，保护环范式有助于维护系统稳定性。
• 这种分离有助于防止可能导致不稳定或系统故障的意外更改。

6. 系统调用便利

• 系统调用通过保护环执行，使用户级程序能够向操作系统请求服务。
• 当一个进程需要执行特权操作时，它会短暂切换到特权更高的保护环，完成所需的动作，然后返回到它之前的特权较低的环。
• 此方法确保对特权功能的受控访问。

总之，通过提供特权分离、隔离进程、限制故障以及允许受控访问关键系统操作，保护环显著有助于提高操作系统的安全性、稳定性和效率。这些优势增强了当代计算环境的整体稳健性和可靠性。

保护环的缺点

保护环虽然在增强操作系统安全性和稳定性方面提供了巨大优势，但也有一些问题。理解这些限制对于推进和调整旨在解决可能问题的操作系统至关重要。以下是佩戴保护环的一些缺点：该图代表了一个形状的数学描述，在大多数情况下是一条曲线。此响应代表了本文讨论的一个关键组件。

1. 复杂性和开销

• 操作系统架构的复杂性是由环保护实现引起的。
• 处理各种特权级别及其转换以及系统调用和上下文更改会产生更多成本。
• 系统的整体有效性和效率可能会因其复杂性而受到阻碍。

2. 缺乏灵活性

• 通常，保护环的级别在操作系统架构期间设置，并且它们甚至本质上是静态的。
• 这种缺乏灵活性使得难以适应动态变化的安全需求或新威胁。
• 保护环分层结构的刚性可能无法始终充分缓解动态安全问题。

3. 粒度有限

• 保护环概念提供了一种粗粒度的特权分离方法。进程只能存在于指定的环中，并且在定义环内存在的各种特权级别方面没有太多灵活性。
• 由于这种缺乏特异性，可能存在某些进程需要增强特权但又不属于指定保护环的情况。

4. 转换期间的安全风险

• 尽管保护环旨在提高安全性，但在特权级别更改时，例如进行系统调用时，可能会存在安全风险。
• 如果处理不当，攻击者可能会利用这些转换。
• 为了减少这些威胁，确保系统调用机制和上下文切换的安全性至关重要。

5. 兼容性问题

• 如果处理硬件差异或运行过时软件的代码涉及保护环，可能会出现兼容性问题。
• 在添加新功能或升级安全措施时保持向后兼容性可能是一个问题。

6. 特权升级的可能性

• 在他们的描述中散布着中美洲、墨西哥和西南部人民特有的语言元素。
• 在某些情况下，攻击者可能会利用操作系统中保护环实现的缺陷或漏洞来提升特权。
• 未经许可访问较低环可能会危及系统安全。

综上所述，保护环是一个至关重要的操作系统架构概念，通过它提供了稳定性和安全性的关键方面。操作系统设计的弱点，即它们的复杂性、刚性以及在更改期间对潜在安全威胁的脆弱性，强调了在该领域进行进一步研究和改进的必要性，以解决这些问题。