WIRTSCHAFTSINFORMATIK Westfälische Wilhelms-Universität Münster WIRTSCHAFTS INFORMATIK Laufzeitumgebungen – Das Beispiel der Java Virtual Machine Benjamin

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WestfälischeWilhelms-Universität Münster

WIRTSCHAFTSINFORMATIK

Laufzeitumgebungen –Das Beispiel der Java Virtual Machine

Benjamin Leenen

Im Rahmen des Seminars zur Übersetzung von künstlichen Sprachen

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Agenda

Virtuelle Maschinen als Laufzeitumgebung Die Java Virtual Machine Sicherheit Die Squawk Java Virtual Machine Fazit und Ausblick

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Virtuelle Maschinen als Laufzeitumgebung

Rechnerarchitektur als Software

Compiler plattformunabhängiger Zwischencode (Bytecode)

Ausführung durch plattformabhängige Virtuelle Maschine (VM): Interpreter Übersetzung beim Laden Just-In-Time Compiler

InterpreterZwischenprogramm

AusgabeEingabe

Compiler

Quellprogramm

Quelle: Aho u. a., 2000

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Agenda

Virtuelle Maschinen als Laufzeitumgebung Die Java Virtual Machine

Die Programmiersprache Java Das class-Dateiformat Speicherbereiche Verifizierung von class-Dateien Ausführung der JVM

Sicherheit Die Squawk Virtual Machine Fazit und Ausblick

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Die Java Virtual MachineDie Programmiersprache Java

Ziel schnelle und einfach Beherrschbarkeit Portabilität Sicherheit

Konzept: objektorientiert hoher Abstraktionsgrad primitive - und Referenzdatentypen streng getypt Bezeichner in Unicode ljava Compiler class

Gängige Java Virtual Machine (JVM): Java HotSpot VM

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Agenda




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Die Java Virtual MachineDas class-Dateiformat (1/2)

ClassFile {u4 magic;u2 minor_version;u2 major_version;u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];u2 access_flags;u2 this_class;u2 super_class;u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];u2 fields_count;field_info fields[fields_count];u2 methods_count;method_info methods[methods_count];u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count];

}

ClassFile {u4 magic;u2 minor_version;u2 major_version;u2 constant_pool_count;cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];u2 access_flags;u2 this_class;u2 super_class;u2 interfaces_count;u2 interfaces[interfaces_count];u2 fields_count;field_info fields[fields_count];u2 methods_count;method_info methods[methods_count];u2 attributes_count;attribute_info attributes[attributes_count];

}

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Die Java Virtual MachineDas class-Dateiformat (2/2)

access_flagsRegelung des Zugriffs

fields[]Klassen- und Objektvariablen

methods[]Auszuführender Code in: code[]

constant_pool[] Verweise auf Klassen, Felder und Methoden symbolische Verweise in restl. class-Datei

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Agenda




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Die Java Virtual MachineSpeicherbereiche

JVM-abhängig Heap Methodenbereich

Thread-abhängig PC (Program Counter) Register Native Methoden Stacks Java Virtual Machine Stack – umfasst Frames:

Variablenarray Operandenstack Verweis auf Konstantenpool

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Agenda




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Die Java Virtual MachineVerifizierung von class-Dateien (1/2)

Überprüfung auf statische und strukturelle Bedingungen statisch: Wohlgeformtheit strukturell: gegenseitige Beziehung von Instruktionen

Bytecode Verifier: Aufsplitten von code[] in einzelne Bytes Analyse einzelner Instruktionen

Data-Flow Analyzer „changed“-Bit für jede Instruktion

1)gehe zu Instruktion mit Bit auf 1

2)Auswirkungen auf Operandenstack und Variablenarray

3)Bestimmung aller Folgeinstruktionen

4)Zusammenführung von bisherigem und aktuellem Operandenstack und Variablenarray

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Agenda




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Die Java Virtual MachineAusführung der JVM (1/2)

Erstmalige Ausführung einer Klasse:

Laden, Binden und Initialisieren notwendig

Laden Auslösung durch andere Klasse Durchführung: Klassenlader

Bootstrap-Klassenlader: Teil der JVM nutzerdefinierte Klassenlader: von extern zu laden

Initialisieren

Binden

Verifizierung Vorbereitung AuflösungLaden

Quelle: Venners, 2000

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Die Java Virtual MachineAusführung der JVM (2/2)

Binden Verifizierung Vorbereitung:

Speicherzuweisung für Klassenvariablen Initialisierung der Speicherbereiche

Auflösung der symbolischen Verweise

Initialisieren:

Zuweisung der vorgesehenen Werte zu Klassenvariablen

Initialisieren

Binden

Verifizierung Vorbereitung AuflösungLaden

Quelle: Venners, 2000

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Agenda

Virtuelle Maschinen als Laufzeitumgebung Die Java Virtual Machine Sicherheit Die Squawk Java Virtual Machine Fazit und Ausblick

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Sicherheit

Hauptkomponenten der Sicherheitsarchitektur: Bytecode-Verifier Klassenlader Sicherheitsmanager

anfängliches Sicherheitsmodell: Sandbox-Modell vertrauenswürdig: Systemdomäne ansonsten: Sandbox

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SicherheitAktuelles Sicherheitsmodell

Generelle Strategie: Policy-Datei Rechtevergabe abhängig von Herkunftsort und Signatur Rechte: Lese-/Schreibzugriff, Verbindungsherstellung

Schutzdomänen Rechtevergabe an alle Klassen einer Domäne Zugriff auf Systemressourcen: Systemdomäne

Zugriffskontrolle Access Controller im Sicherheitsmanager Zugriffsüberprüfung anhand Policy-Datei weitere Möglichkeit: Guarded Object

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SicherheitSicherheitsrisiken

nachträgliches Verändern von class-Dateien Hinzufügen von Instruktionen in code[] Veränderung der Zugriffsrechte in access_flags

Probleme der Policy-Datei: keine Überprüfung der angegebenen Herkunftsadresse Policy-Datei einfach veränderbar Datenbank mit Signaturen vom Nutzer zu pflegen Zugriffskontrolle nur beim ersten Zugriff

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Agenda

Motivation:

Flexible Ausführung höherer Programmiersprachen Virtuelle Maschinen als Laufzeitumgebung Die Java Virtual Machine Sicherheit Die Squawk Java Virtual Machine Fazit und Ausblick

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Die Squawk Java Virtual Machine

für kleine, portable Geräte konzipiert

geringer Ressourcenanspruch

größtenteils in Java geschrieben

lauffähig ohne Betriebssystem – z. B. auf dem SPOT (Sun Small Programmable Object Technology)

verteilte Architektur: Desktoprechner: Suite Creator geräteseitige VM

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Die Squawk Java Virtual MachineSuite Creator

Konvertierung von class- in suite-Dateien

lsuite-Datei: 38% der Größe von class-Dateien kann Klassenstrukturen umfassen hierarchisch strukturierbar Serialisierung vor Übertragung

Bytecode-Verifier

Signierung von suite-Dateien

Loader

.class/.jar

Suite Creator

Verifier

Transformer

Serializer

Digital Signer

.suite

Host

Quelle: Simon u. a., 2006

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Die Squawk Java Virtual MachineGeräteseitige VM

Betriebssystemfunktionen Thread Scheduler Behandlung von Interrupts

Anwendungen als Objekte (Isolates) Isolierung einzelner Anwendungen gemeinsame Nutzung von VM-Ressourcen

entferntes Debugging Serialisierung jedes Zustands möglich

Speicherung direkt Übertragung an andere Squawk VM

.suite

On-device VM

Interpreted VM

Java libraries

Bootloader

Native Code

Device


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Agenda

Motivation:

Flexible Ausführung höherer Programmiersprachen Virtuelle Maschinen als Laufzeitumgebung Die Java Virtual Machine Sicherheit Die Squawk Java Virtual Machine Fazit und Ausblick

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Fazit und Ausblick

Zielerreichung von Java: Portabilität durch Kombination von Bytecode und VM Sicherheit

ausgereifte Mechanismen zur Verifizierung und Zugriffskontrolle nach wie vor Verbesserungsbedarf

stetiger Entwicklungsprozess Verbesserung der Sicherheit Entwicklungen im Bereich kleiner, portabler Geräten Steigerung der Performance

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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BackupDie verteilte Architektur der Squawk VM

Loader

.class/.jar

Suite Creator

Verifier

Transformer

Serializer

Digital Signer

.suite

.suite

On-device VM

Interpreted VM

Java libraries

Bootloader

Native Code

Host Device


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Backup Sicherheitsarchitektur

Systemdomäne Sandboxdomäne

Policy

Domäne 1

Policy

Domäne 2

Sicherheitsstrategie

Sicherheitsmanager

C.classB.classA.classJVM

geladene Klassen

lokaler oder entfernter Code

Systemressourcen (Daten, Speicher usw.)

freier Zugriff

Quelle: Eckert, 2008

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Backup Sicherheit: Policy-Datei

grant codeBase"https://www.rman.com/users/bob", signedBy "Duke" {permission java.io.FilePermission

"read, write","/bob/temp/*";permission java.io.FilePermission "read","/joe/temp/";permission java.net.SocketPermision "connect","*.rman.com";

};

grant {permission java.net.SocketPermission"localhost:1024-","listen";};

Quelle: in Anlehnung an Eckert, 2008

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BackupAnwendungsbeispiele für SPOT

Alltag: SPOT am Herd SPOT am Auto

Warnung, wenn Auto wegfährt und Herdplatten noch heiß sind

Industrielles Umfeld: Sicherung von wertvollen Gütern z. B. gegenseitige Containerüberwachung Alarm, wenn

Container geöffnet und noch auf dem Transportweg

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Backup Code-Beispiel Isolate

Isolate isolate = new Isolate ("com.sun.spots.SelfHibernator", url());

isolate.start();send (isolate, outStream);...


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