[發(fā)明專利]基于塊對(duì)目標(biāo)代碼掃描并替換敏感指令的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910043831.6
• 申請(qǐng)日: 2009-07-03
• 公開（公告）號(hào): CN101630269A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張衛(wèi)華;劉曉建;易曉東;譚郁松;吳慶波;戴華東;孔金珠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F9/455
• 分類號(hào): G06F9/455;G06F17/30
• 代理公司: 國(guó)防科技大學(xué)專利服務(wù)中心
• 代理人: 郭 敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及面向X86體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)虛擬化的二進(jìn)制翻譯(Binary?Translation， BT)方法，尤其是對(duì)目標(biāo)代碼進(jìn)行掃描并對(duì)掃描中發(fā)現(xiàn)的敏感指令進(jìn)行替換的方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展尤其是多核乃至眾核處理器的出現(xiàn)，提高計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)高速增長(zhǎng)計(jì)算能力的使用率日益成為迫切的市場(chǎng)需求。操作系統(tǒng)虛擬化技術(shù)通過(guò)在 同一臺(tái)物理機(jī)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)并對(duì)外提供服務(wù)，能夠有效提高服務(wù)器的利用 率，因而受到各研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)機(jī)構(gòu)的高度重視，并在服務(wù)器整合、計(jì)算機(jī)安全、虛擬 數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

操作系統(tǒng)虛擬化依賴于一種稱為虛擬監(jiān)控器(Virtual?Machine?Monitor，VMM)的 系統(tǒng)軟件，被虛擬化的操作系統(tǒng)則稱為客戶操作系統(tǒng)(Guest?OS，GOS)。目前，VMM軟 件主要基于三種方法實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)虛擬化，即硬件輔助虛擬化、半虛擬化和BT虛擬化。 三種方法的基本原理及特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

1)硬件輔助虛擬化要求處理器提供硬件支持，如Intel的VT技術(shù)和AMD的SVM技術(shù)。 VMM通過(guò)捕獲在特殊處理器狀態(tài)下運(yùn)行的客戶操作系統(tǒng)執(zhí)行敏感指令時(shí)觸發(fā)的硬件 異常實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)虛擬化，如XenSource公司的虛擬機(jī)監(jiān)視器產(chǎn)品Xen和開源軟件 KVM等。該方法的優(yōu)點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需要在處理器普通狀態(tài)與虛擬化狀態(tài)之 間頻繁切換，并且切換的系統(tǒng)開銷遠(yuǎn)大于普通系統(tǒng)調(diào)用。

2)半虛擬化要求客戶操作系統(tǒng)降特權(quán)級(jí)(如Ring1)運(yùn)行，并對(duì)其源代碼相應(yīng)部分進(jìn) 行修改以配合VMM實(shí)現(xiàn)虛擬化。該方法的局限性在于必須獲得GOS源代碼，并且需 要對(duì)任何希望虛擬化的操作系統(tǒng)進(jìn)行修改，移植和維護(hù)工作量巨大。Xen是采用半 虛擬化技術(shù)的代表(同一VMM可對(duì)不同GOS采用不同的虛擬化方法)。

3)BT虛擬化則通過(guò)對(duì)GOS內(nèi)核二進(jìn)制代碼進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)其中的敏感指令，并將其轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的虛擬化代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)GOS虛擬化。采用BT虛擬化方法的VMM有VMWare公 司的VMWare?Workstation和Sun公司的VirtualBox。

與前兩種方法相比，BT虛擬化對(duì)軟硬件等外部條件的依賴最小——既不需要硬件 支持，也不需要獲得客戶操作系統(tǒng)源代碼，其關(guān)鍵就在于通過(guò)掃描發(fā)現(xiàn)內(nèi)核二進(jìn)制代碼 中的敏感指令，并將其轉(zhuǎn)換為包含相應(yīng)虛擬化功能代碼且保持GOS原有執(zhí)行語(yǔ)義不變的 一段指令序列。所謂“敏感指令”泛指所有一旦在真實(shí)處理器上執(zhí)行即可能改變處理器 的實(shí)際狀態(tài)，從而導(dǎo)致VMM或其它客戶操作系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行的指令或基于安全隔離目 的需要VMM介入的指令。

敏感指令轉(zhuǎn)換方法有指令緩存和本地替換兩種：指令緩存方法不修改內(nèi)存中的GOS 代碼，而是在指令緩沖區(qū)內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)換即將執(zhí)行的目標(biāo)代碼塊，并在該緩沖區(qū)內(nèi)執(zhí)行轉(zhuǎn) 換后的目標(biāo)代碼塊，如VMWare和開源軟件Qemu。本地替換方法則直接在敏感指令所在 內(nèi)存位置將其替換為一條控制轉(zhuǎn)移指令，通常為JMP指令，使目標(biāo)代碼改變流程去執(zhí)行 一段與敏感指令原有語(yǔ)義等價(jià)的虛擬化功能代碼或安全檢查代碼，以達(dá)到虛擬化或安全 隔離目的。與指令緩存方法相比，本地替換方法具有簡(jiǎn)單直觀、內(nèi)存占用量小等優(yōu)點(diǎn)， 但是采用該方法時(shí)，將不可避免地遇到部分敏感指令長(zhǎng)度小于替換指令即短敏感指令的 情形。例如：在X86體系結(jié)構(gòu)中，為了能夠直接跳轉(zhuǎn)到任意虛地址空間，通常使用5字 節(jié)或更長(zhǎng)的JMP跳轉(zhuǎn)指令作為替換指令，而某些敏感指令，如POPF指令，只有1字節(jié) 長(zhǎng)度，無(wú)法直接替換成JMP指令。

針對(duì)這一情形，目前已知的基于本地替換方法的VMM軟件均采用可觸發(fā)硬件異常的 軟中斷指令(INT0或INT3指令)進(jìn)行替換，如Sun公司的VirtualBox采用1字節(jié)長(zhǎng) 度的INT3指令(0xCC)替換所有長(zhǎng)度小于JMP指令的敏感指令。但是，采用INT0/INT3 指令替換的主要缺點(diǎn)在于：每次執(zhí)行該指令時(shí)都會(huì)觸發(fā)硬件異常，尤其是當(dāng)被替換指令 被頻繁調(diào)用時(shí)，硬件狀態(tài)的反復(fù)切換將導(dǎo)致大量的系統(tǒng)開銷。因此，當(dāng)敏感指令長(zhǎng)度小 于JMP指令長(zhǎng)度時(shí)，如何尋找包含該敏感指令且長(zhǎng)度不小于JMP指令的最小目標(biāo)代碼塊， 并將該最小目標(biāo)代碼塊替換為JMP指令，以減少使用INT3指令替換的概率，同時(shí)保持 目標(biāo)代碼原有執(zhí)行語(yǔ)義不變，是本領(lǐng)域技術(shù)人員關(guān)注的重要問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容