2017-2018-1 20155229 《信息安全系统设计基础》第十四周学习总结
2017-2018-1 20155229 《信息安全系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)》第十四周學(xué)習(xí)總結(jié)
對“第三章 程序機器級表示”的深入學(xué)習(xí)
- 我選擇這章的理由是第一次學(xué)的時候還是不太理解，老師也有說這章建議在認(rèn)真學(xué)習(xí)，所以本周的學(xué)習(xí)任務(wù)是認(rèn)真再次學(xué)習(xí)這一章
c語言、匯編代碼以及機器代碼
這三者的關(guān)系大概順序是：
- [1]C預(yù)處理器擴展源代碼，展開所以的#include命名的指定文件；
- [2]編譯器產(chǎn)生匯編代碼（.s）；
- [3]匯編器將匯編代碼轉(zhuǎn)化成二進制目標(biāo)文件（.o）.
- 匯編起著高級語言和底層二進制代碼的橋梁作用.
1.機器語言
機器語言是用二進制代碼表示的計算機能直接識別和執(zhí)行的一種機器指令的集合。它是計算機的設(shè)計者通過計算機的硬件結(jié)構(gòu)賦予計算機的操作功能。機器語言具有靈活、直接執(zhí)行和速度快等特點。
2.匯編語言
匯編語言是用符號代替了機器指令代碼,而且助記符與指令代碼一一對應(yīng),基本保留了機器語言的靈活性。使用匯編語言能面向機器并較好地發(fā)揮機器的特性,得到質(zhì)量較高的程序。匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件,其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少,運行速度快,有著高級語言不可替代的用途。
3.C語言
C語言是一門通用計算機編程語言，應(yīng)用廣泛。C語言的設(shè)計目標(biāo)是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器、產(chǎn)生少量的機器碼以及不需要任何運行環(huán)境支持便能運行的編程語言
匯編代碼起到了承上啟下的作用，理解匯編代碼以及與它的源C代碼之間的聯(lián)系，是理解程序如何執(zhí)行的關(guān)鍵一步，因為編譯器隱藏了太多的細(xì)節(jié)如：程序計數(shù)器、寄存器（整數(shù)、條件碼、浮點）等。
調(diào)用函數(shù)
調(diào)用一個函數(shù)，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)和控制代碼從一個部分到另一個部分的跳轉(zhuǎn)。
幀指針與棧指針的不公之處： ebp放與參數(shù)與返回地址的最下方，方便計算參數(shù)的偏移位置；而esp一直在棧頂，可以通過push將數(shù)據(jù)壓入，通過pop取出，增加指針來釋放空間。
①轉(zhuǎn)移控制
call指令，同跳轉(zhuǎn)一樣，可以是直接的，也可以是間接的。
call指令的效果：1、將返回地址入棧2、跳轉(zhuǎn)到被調(diào)用過程的起始處。
當(dāng)調(diào)用過程返回時，執(zhí)行會從此處繼續(xù)。ret指令從棧中彈出地址，并跳轉(zhuǎn)到這個位置（表示程序計數(shù)器被賦值為這個返回地址，并跳轉(zhuǎn)到這個地址，執(zhí)行這個地址對應(yīng)的指令）。
其中call先將返回地址入棧，然后跳轉(zhuǎn)到函數(shù)開始的地方執(zhí)行。（返回地址是開始調(diào)用者執(zhí)行call的后面那條指令的地址）當(dāng)遇到ret指令的時候，彈出返回地址，并跳轉(zhuǎn)到該處繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用者剩余部分。
leave 等價于： movl %ebp, %esp popl %ebp程序寄存器組被所有過程共享。寄存器 %eax 、 %edx 、 %ecx 為調(diào)用者保存寄存器，由P保存，Q可以覆蓋這些寄存器而不破壞P的數(shù)據(jù)。寄存器 %ebx 、 %esi 、 %edi 為被調(diào)用者保存寄存器，Q需要在覆蓋它們之前將值保存到棧中，并在返回前恢復(fù)它們。
int swap(int *x, int *y) {int t = *x;*x = *y;*y = t;return *x + *y; }int func() {int a = 1234;int b = 4321;int s = swap(&a, &b);return s; }.p2align 4,,15 .globl swap.type swap, @function swap:pushl %ebp 壓入幀指針movl %esp, %ebp 將幀指針設(shè)為棧指針指向位置movl 8(%ebp), %edx 讀取xmovl 12(%ebp), %ecx 讀取ypushl %ebx 壓入%ebx（被調(diào)用者保存寄存器）movl (%edx), %eax 讀取*xmovl (%ecx), %ebx 讀取*ymovl %ebx, (%edx) 將*y寫入x指向存儲器位置movl %eax, (%ecx) 將*x寫入y指向存儲器位置addl (%edx), %eax *x+*ypopl %ebx 恢復(fù)%ebxpopl %ebp 彈出幀指針（%esp等于原值）ret 返回.size swap, .-swap.p2align 4,,15 .globl func.type func, @function func:pushl %ebp 壓入幀指針movl $5555, %eax 保存計算結(jié)果（編譯器-O2優(yōu)化）movl %esp, %ebp 將幀指針設(shè)為棧指針指向位置popl %ebp 彈出幀指針（%esp未變）ret 返回.size func, .-func②數(shù)據(jù)傳送
當(dāng)調(diào)用一個過程的時候，除了要把控制傳遞給調(diào)用過程，調(diào)用還需要把數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞過去，調(diào)用過程可能返回一個值。
如果一個函數(shù)有大于6個整型參數(shù)，超出6個的部分就通過保存在調(diào)用者的棧幀來傳遞。
上面的程序代碼，前六個參數(shù)可以通過寄存器傳遞，后面的兩個通過棧傳遞。
③棧上的局部存儲
目前為止我們看到的大多數(shù)程序示例都不需要超過寄存器大小的本地存儲。不過以下情況局部數(shù)據(jù)必須要放入內(nèi)存中。
1.寄存器不足以存放所有的本地數(shù)據(jù)。
2.對一個局部變量使用運算符“&”。
3.某些局部變量是數(shù)組或者是結(jié)構(gòu)體，必須能夠通過數(shù)據(jù)的引用訪問到。
eg.#include<stdio.h>int swap(int* a,int* b) {int temp = *a;*a = *b;*b = temp;return *a+*b;}int main(){int a=5,b=3;int tot = swap(&a,&b);printf("%d",tot);return 0;}上面的匯編代碼是一個交換兩個int數(shù)據(jù)，并得到兩個數(shù)之和的程序。函數(shù)中，首先在棧上分配了24個字節(jié)，其中可以看到的是棧頂?shù)那八膫€字節(jié)用來保存變量‘a(chǎn)’，之后的四個用來保存變量‘b’，將寄存器%rax的值保存在0x8-0x18（新分配的字節(jié)在返回地址的頂部）。
④遞歸的過程
因為寄存器和棧幀的存在是的x86-64過程能夠遞歸的調(diào)用自身，每個過程調(diào)用在棧中都有自己的私有空間，因此多個未完成的調(diào)用的局部空間不會相互影響，棧的原則也提供了適當(dāng)?shù)牟呗?#xff0c;當(dāng)過程被調(diào)用時分配局部存儲，返回時釋放局部存儲。
x86-64：將IA32擴展到64位
數(shù)據(jù)類型的比較：
訪問信息：
- 算術(shù)指令：當(dāng)大小不同的操作數(shù)混在一起的時候，必須進行正確的擴展
過程
由于寄存器翻了一倍，64位中不需要棧幀來存儲參數(shù)，而是直接使用寄存器
EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP 寄存器詳解
4個數(shù)據(jù)寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)
2個變址和指針寄存器(ESI和EDI)
2個指針寄存器(ESP和EBP)
eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, ebp, esp等都是X86 匯編語言中CPU上的通用寄存器的名稱，是32位的寄存器。如果用C語言來解釋，可以把這些寄存器當(dāng)作變量看待。
4個數(shù)據(jù)寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)：
32位CPU有4個32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。對低16位數(shù)據(jù)的存取，不會影響高16位的數(shù)據(jù)。這些低16位寄存器分別命名為：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。
4個16位寄存器又可分割成8個獨立的8位寄存器(AX：AH-AL、BX：BH-BL、CX：CH-CL、DX：DH-DL)，每個寄存器都有自己的名稱，可獨立存取。程序員可利用數(shù)據(jù)寄存器的這種“可分可合”的特性，靈活地處理字/字節(jié)的信息。
EAX 是"累加器"(accumulator), 它是很多加法乘法指令的缺省寄存器。
EBX是"基地址"(base)寄存器, 在內(nèi)存尋址時存放基地址。
ECX 是計數(shù)器(counter), 是重復(fù)(REP)前綴指令和LOOP指令的內(nèi)定計數(shù)器。
EDX 則總是被用來放整數(shù)除法產(chǎn)生的余數(shù)。
ESI/EDI分別叫做"源/目標(biāo)索引寄存器"(source/destination index),因為在很多字符串操作指令中, DS:ESI指向源串,而ES:EDI指向目標(biāo)串.
EBP是"基址指針"(BASE POINTER), 它最經(jīng)常被用作高級語言函數(shù)調(diào)用的"框架指針"(frame pointer).
eax,ax,al(ah)之間的關(guān)系
- eax是32位寄存器，ax是16位寄存器,al(ah)是八位寄存器。那么eax存儲的數(shù)據(jù)就是ax的兩倍，ax是al(ah)的兩倍。
- eax可以存儲的數(shù)字是DWORD（雙字）ax存儲的是WORD（字）AL(AH)存儲的是BYTE（字節(jié)）
- 32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不僅可傳送數(shù)據(jù)、暫存數(shù)據(jù)保存算術(shù)邏輯運算結(jié)果，而且也可作為指針寄存器
緩沖區(qū)溢出
緩沖區(qū)溢出是指當(dāng)計算機程序向緩沖區(qū)內(nèi)填充的數(shù)據(jù)位數(shù)超過了緩沖區(qū)本身的容量。
eg.#include <stdio.h> #include <string.h> #include <iostream> using namespace std; int main(int argc, char *argv[]) { char buf[10]; strcpy(buf, argv[1]); cout<<buf; return 0; }
連續(xù)輸入一些字符就產(chǎn)生了溢出。
C語言常用的strcpy、sprintf、strcat 等函數(shù)都非常容易導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出問題。
程序運行時，其內(nèi)存里面一般都包含這些部分：(1)程序參數(shù)和程序環(huán)境；(2)程序堆棧(堆棧則比較特殊，主要是在調(diào)用函數(shù)時來保存現(xiàn)場，以便函數(shù)返回之后能繼續(xù)運行)，它通常在程序執(zhí)行時增長，一般情況下，它向下朝堆增長。(3)堆，它也在程序執(zhí)行時增長，相反，它向上朝堆棧增長；(4)BSS 段，它包含未初始化的全局可用的數(shù)據(jù)（例如，全局變量）；(5)數(shù)據(jù)段，它包含初始化的全局可用的數(shù)據(jù)（通常是全局變量）；(6)文本段，它包含只讀程序代碼。BSS、數(shù)據(jù)和文本段組成靜態(tài)內(nèi)存：在程序運行之前這些段的大小已經(jīng)固定。程序運行時雖然可以更改個別變量，但不能將數(shù)據(jù)分配到這些段中。
在棧中分配某個字節(jié)數(shù)組來保存一個字符串，但是字符串的長度超出了為數(shù)組分配的空間。C對于數(shù)組引用不進行任何邊界檢查，而且局部變量和狀態(tài)信息，都存在棧中。這樣，對越界的數(shù)組元素的寫操作會破壞存儲在棧中的狀態(tài)信息。當(dāng)程序使用這個被破壞的狀態(tài)，試圖重新加載寄存器或執(zhí)行ret指令時，就會出現(xiàn)很嚴(yán)重的錯誤。
eg. void echo() {char buf[8] ;gets(buf) ;puts(buf) ; }
棧是向地地址增長的，數(shù)組緩沖區(qū)是向高地址增長的。故，長一些的字符串會導(dǎo)致gets覆蓋棧上存儲的某些信息。
隨著字符串變長，下面的信息會被破壞：
輸入的字符數(shù)量 被破壞的狀態(tài)
0---7 無
8---11 保存的%ebx的值
12---15 保存的%ebp的值
16---19 返回地址
20+ caller中保存的狀態(tài)
如果破壞了存儲%ebp的值，那么基址寄存器就不能正確地恢復(fù)，因此調(diào)用者就不能正確地引用它的局部變量或參數(shù)。
如果破壞了存儲的返回地址，那么ret指令會使程序跳轉(zhuǎn)到完全意想不到的地方。
緩沖區(qū)溢出的一個更加致命的使用就是讓程序執(zhí)行它本來不愿意執(zhí)行的函數(shù)。
輸入給程序一個字符串，這個字符串包含一些可執(zhí)行代碼的字節(jié)編碼，稱為攻擊代碼，另外還有一些字節(jié)會用一個指向攻擊代碼的指針覆蓋返回地址。這是一種最常見的通過計算機網(wǎng)絡(luò)攻擊系統(tǒng)安全的方法。執(zhí)行ret指令的效果就是跳轉(zhuǎn)到攻擊代碼。
為buf分配的空間只有8個字節(jié)元素，上面地址保存的是%ebx, %ebp和返回地址的值，如果buf的長度超過分配的長度，就會把多出來的元素寫入到保存這些寄存器地址的值，破壞%ebx，%ebp和返回地址的值，這樣程序就不能正確的返回%ebx的值，不能正確的返回上以棧幀的地址，不能正確返回下一條要執(zhí)行的命令地址。如果這些輸入的元素包含一些可執(zhí)行代碼的字節(jié)編碼，稱為攻擊代碼(exploit code), 比如串改返回地址的值，使程序返回到惡意程序的代碼地址進行執(zhí)行，就會成為我們所說的蠕蟲和病毒。
對抗緩沖區(qū)溢出攻擊
1、棧隨機化
為了在系統(tǒng)中插入攻擊代碼，攻擊者不但要插入代碼，還要插入指向這段代碼的指針，這個指針也是攻擊字符串的一部分。產(chǎn)生這個指針需要知道這個字符串放置的棧地址。在過去，程序的棧地址非常容易預(yù)測，在不同的機器之間，棧的位置是相當(dāng)固定的。
棧隨機化的思想使得棧的位置在程序每次運行時都有變化。因此，即使許多機器都運行相同的代碼。它們的棧地址都是不同的。
實現(xiàn)的方式是：程序開始時，在棧上分配一段0--n字節(jié)之間的隨機大小空間。程序不使用這段空間，但是它會導(dǎo)致程序每次執(zhí)行時后續(xù)的棧位置發(fā)生了變化。
在Linux系統(tǒng)中，棧隨機化已經(jīng)變成了標(biāo)準(zhǔn)行為。（在linux上每次運行相同的程序，其同一局部變量的地址都不相同）
2、棧破壞檢測
在C語言中，沒有可靠的方法來防止對數(shù)組的越界寫，但是，我們能夠在發(fā)生了越界寫的時候，在沒有造成任何有害結(jié)果之前，嘗試檢測到它。
3、限制可執(zhí)行代碼區(qū)域
限制那些能夠存放可執(zhí)行代碼的存儲器區(qū)域。在典型的程序中，只有保存編譯器產(chǎn)生的代碼的那部分存儲器才需要是可執(zhí)行的，其他部分可以被限制為只允許讀和寫。
一般的系統(tǒng)允許三種訪問的形式：讀（從存儲器讀數(shù)據(jù)）、寫（存儲數(shù)據(jù)到存儲器）和執(zhí)行（將存儲器的內(nèi)容看作是機器級代碼）
浮點數(shù)的機器級表示
為什么浮點數(shù)的表示是不精確的？（參考鏈接見最后）
- IEEE標(biāo)準(zhǔn)754規(guī)定了三種浮點數(shù)格式：單精度、雙精度、擴展精度。
- 浮點數(shù)的表示格式：n是浮點數(shù)，s是符號位，m是尾數(shù)，e是階數(shù)。
eg.單精度的20000.4
20000.4轉(zhuǎn)換為單精度的2進制是多少？
此單精度浮點數(shù)是正數(shù)，那么尾數(shù)符號s=0，指數(shù)（階數(shù)）e是8位，30到23位，尾數(shù)m（科學(xué)計數(shù)法的小數(shù)部分）23位長，22位到0位，共32位，如圖
先看整數(shù)部分，20000先化為16進制（4e20）16，則二進制是（100 1110 0010 0000）2，一共15位。
再看小數(shù)部分，0.4化為二進制數(shù)，這里使用乘權(quán)值取整的計算方法，使用0.X循環(huán)乘2，每次取整數(shù)部分，但是我們發(fā)現(xiàn)，無論如何x2，都很難使得0.X為0.0，就相當(dāng)于十進制的無限循環(huán)小數(shù)0.33333……一樣，10進制數(shù)，無法精確的表達三分之一。也就是人們說的所謂的浮點數(shù)精度問題。因單精度浮點數(shù)的尾數(shù)規(guī)定長23位，那現(xiàn)在乘下去，湊夠24位為止，即再續(xù)9位是（1.011001100）2
習(xí)題
3.59
假設(shè)
多個2 ^ 128溢出
# void store_prod(int128_t* dest, int64_t x, int64_t y) # dest in %rdi, x in %rsi, y in %rdx store_prod:movq %rdx, %rax # %rax = ycqto # (int128_t)y, %rdx = (-1)y_63movq %rsi, %rcx # %rcx = x# x >> 63, if x == 1, %rcx = -1; if x_63 == 0, %rcx = 0# %rcx = (-1)x_63sarq $63, %rcx# pay attention, imulq behaves differently according to param number(1/2)imulq %rax, %rcx # %rcx = y * -x_63imulq %rsi, %rdx # %rdx = x * -y_63addq %rdx, %rcx # %rcx = x * -y_63 + y * -x_63mulq %rsi # %rdx:%rax <= ux * uy# lower 64 bits are same for x * y and ux * uy. ref (2.18) on book# %rdx = ux * uy(high 64 bits) - (x_{63}y + y_{63}x)2^{64}addq %rcx, %rdxmovq %rax, (%rdi) # set lower 64bitsmovq %rdx, 8(%rdi) # set higher 64bitsret3.60
答：
A：
%rdi中保存著x
%esi中保存著n
%rax中保存著result
%rdx中保存著mask
B：result和mask的初始值是：
result = 0mask = 1C:mask的測試條件是：mask != 0
D:mask = mask << n
F:
long loop2(long x, int n) {long result = 0;long mask;for (mask = 1; mask != 0; mask <<= n) {result |= (x & mask);}return result; }代碼托管
上周考試錯題總結(jié)
14.( 多選題 | 1 分)
The following table gives the parameters for a number of different caches. For
each cache, determine the number of cache sets (S), tag bits (t), set index bits (s),
and block offset bits (b)
A .
第三行S為1
B .
第一行t為24
C .
第二行s為5
D .
第三行b的值為5
正確答案： A C D
18.( 多選題 | 1 分)
有關(guān)RAM的說法，正確的是（）
A .
SRAM和DRAM掉電后均無法保存里面的內(nèi)容。
B .
DRAM將一個bit存在一個雙穩(wěn)態(tài)的存儲單元中
C .
一般來說，SRAM比DRAM快
D .
SRAM常用來作高速緩存
E .
DRAM將每一個bit存儲為對一個電容充電
F .
SRAM需要不斷刷新
G .
DRAM被組織為二維數(shù)組而不是線性數(shù)組
正確答案：A C D E G
解析：SRAM用來作為高速緩存存儲器；DRAM用來作為主存以及圖形系統(tǒng)的幀緩沖區(qū)。SRAM的存取比DRAM快。SRAM對諸如光和電噪聲這樣的干擾不敏感。代價是SRAM 單元比DRAM單元使用更多的晶體管。
結(jié)對及互評
點評模板：
- 博客中值得學(xué)習(xí)的或問題： - - 代碼中值得學(xué)習(xí)的或問題： -本周結(jié)對學(xué)習(xí)情況
- [20155225]() - 結(jié)對照片 - 結(jié)對學(xué)習(xí)內(nèi)容- 相互講解學(xué)習(xí)的章節(jié)其他（感悟、思考等，可選）
學(xué)習(xí)進度條
| 目標(biāo) | 5000行 | 15篇 | 400小時 | |
| 第一周 | 20/20 | 1/ | 12/12 | |
| 第二周 | 42/62 | 1/2 | 8/20 | |
| 第三周 | 62/124 | 1/3 | 14/34 | |
| 第四周 | 61/185 | 1/4 | 10/44 | |
| 第五周 | / | 2/6 | 13/57 | |
| 第六周 | / | 2/8 | 17/74 | |
| 第七周 | / | 2/10 | 15/89 | |
| 第八周 | / | 2/12 | 12/101 | |
| 第九周 | / | 2/14 | 10/111 | |
| 第十一周 | / | 1/16 | 12/123 | |
| 第十三周 | / | 2/18 | 17/140 | 學(xué)習(xí)認(rèn)為最重要的一章 |
| 第十四周 | / | 1/19 | 18/158 | 學(xué)習(xí)認(rèn)為學(xué)的不好的一章 |
嘗試一下記錄「計劃學(xué)習(xí)時間」和「實際學(xué)習(xí)時間」，到期末看看能不能改進自己的計劃能力。這個工作學(xué)習(xí)中很重要，也很有用。
耗時估計的公式
：Y=X+X/N ，Y=X-X/N，訓(xùn)練次數(shù)多了，X、Y就接近了。
參考：軟件工程軟件的估計為什么這么難，軟件工程 估計方法
計劃學(xué)習(xí)時間:18小時
實際學(xué)習(xí)時間:18小時
改進情況：深入學(xué)習(xí)第三章
(有空多看看現(xiàn)代軟件工程 課件
軟件工程師能力自我評價表)
參考資料
- 《深入理解計算機系統(tǒng)V3》學(xué)習(xí)指導(dǎo)
- 從如何判斷浮點數(shù)是否等于0說起——浮點數(shù)的機器級表示
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/fyhtvxq/p/8098192.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的2017-2018-1 20155229 《信息安全系统设计基础》第十四周学习总结的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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