JVM安全模型--基本沙箱

 

  本是整理到word文档中，发到je上格式好像变得怪怪的，附件附上原来的word版本，需要的朋友可以下载回去看看.

安全模型简介

安全模型使Java 成为网络环境的技术，因为它们建立了对网络移动代码安全执行的必要的可信机制。

Java安全模型侧重于保护终端用户免受从网络下载的、来至于不可靠来源的、恶意程序的侵犯。而“沙箱”机制成为了这一目的的支持机制，在“沙箱”中存放不可信的 Java 程序。“沙箱”对不可靠的程序的活动进行了限制，程序可以在“沙箱”的安全边界内做任何事，但是不能进行任何跨越这些边界的举动。

比如说, 在版本 1.0 中的沙箱对于很多不可靠的 applet 进行了如下限制：

a.  对本地硬盘的读写

b.  进行任何网络连接，但是不能连接到提供这个applet 的源主机

c.  创建新的进行

d.  装载新的动态链接库

 

但是，基于版本1.0 的沙箱模型过于严格，有些善意（但是不可靠）的代码常常无法进行有效的工作，所以，在版本 1.1 ，“沙箱”模型得到了改进，引入了基于代码签名和认证的信任模型。

基本沙箱

Java沙箱的基本组成组件有：

1． 类加载器结构

2． Class文件检验器

3． 内置于Java 虚拟机的安全特性

4． 安全管理器及Java API

 

其中最重要的特点是： 组件当中的 类加载器 以及 安全管理器 是可以由 用户定制的.

 

在版本1.0 和 1.1 中的安全管理器负责处理访问控制 ( 包括安全策略规范和运行时安全策略 ) 的实施 .  所以，要在 1.0 和 1.1 中建立定制的策略，必须编写自己定制安全管理器。

在版本1.2 中，可以利用 Java2  平台提供的安全管理器，允许用户在一个和程序分离的 Ascii 策略文件中说明安全策略。在运行时，这个预先指定好的安全管理器获得一个类（访问控制器）的帮助，来执行这个策略文件中的安全策略。

 

下面我们来看沙箱结构中的类加载器结构：

类加载器

类加载器作为Java 沙箱中的第一道防线，毕竟是由于类加载器将代码装入到 JVM 中的。

类加载器在以下三个方面对Java 的沙箱起着作用：

Ø  它防止恶意代码去干涉善意的代码

Ø  它守护了被信任的类库的边界

Ø  它将代码归入某类（成为保护域），该类确定了代码可以进行哪些操作

 

   类加载器体系结构可以防止恶意的代码去干涉善意的代码，这是通过由不同的类加载器装入的类提供不同的命名空间来实现的。

 

什么是命名空间？

举例来说明吧，比如说，有一个类名字为A, 一旦 JVM 将一个 A 装入到特定的命名空间，它就不能再加载名为 A 的其他类到相同的命名空间了。

在JVM 中，同一个命名空间的类可以直接进行交互，而不同的命名空间的类甚至不能察觉到彼此的存在，除非显式的提供了允许它们进行交互的机制 ( 通过包全名 ) 。

 

对于用户自定义的类加载器来说，它常常依赖于其他的类加载器，比如JVM 的启动时的类加载器，来帮助自己加载一些类。

在版本1.2 之前，非启动类加载器必须显式的寻求于其他类加载器，类加载器可以请求另外一个用户自定义的类加载器来加载一个类，通过调用被请求的类加载器的 loadClass() 方法来实现的。除此以外，类加载可以通过调用 findSystemClass() 来请求启动类加载器来加载类，这是类 ClassLoader 中的一个静态方法。

在版本1.2 以后，类加载器请求另外一个类加载器来加载类型的过程被形式化，称为“双亲委托制”，从 1.2 开始，除启动类加载器以外的每一个类加载器，都有一个“双亲”类加载器，在某个特定的类加载器试图以常用方式加载类型以前，它会先默认地将这个任务“委托”给他 / 它的双亲 , 来请求它的双亲来加载这个类型 . 当然，这个双亲也依次请求它自己的双亲来加载这个类，这个过程一直向上继续，直到达到启动类加载器，通常启动类加载器 是委托链的最后一个类加载器。

在1.2 以后，由用户自定义类加载来负责其他类型的加载，比如说，应用程序运行的 class  文件，在类路径中加载的 class 文件等 .

 

下面我们来看看，在JVM 内部，类加载器是如何进行工作的：

 

场景：加载一个名称为JVMTest 的类 .  流程： JVM启动时，实例化了 2 个用户自定义的类加载，一个“已安装扩展”的类加载器，一个是“类路径”类加载器 。 运行Java 应用程序，类加载发出一个加载 JVMTest 类的请求，类加载器询问它的双亲 ---- 类路径加载器来查找并加载这个类，这个类路径类加载依次向自己的双亲发出同样的请求，它的双亲既为已安装扩展的类加载器。这个类加载器也是首先请求它自己的双亲 ------- 启动类加载器。  现在，假设JVMTest 不是 JAVA API 的一部分。也不是已安装扩展的一部分，也不在类路径上，所有这些类加载器都返回而不会提供一个名为 JVMTest 的已加载的类。当类加载回答说，它和所有的双亲都不能加载这个类时，你的类加载可能将试图用它自己的特定方式来加载 JVMTest 类，这样 JVMTest 就可以在应用程序以后的执行过程中发挥出作用。 接着来看后面的场景， 现在JVMTest 类已经被加载了，并可以使用了，假设以后的某一个时刻 JVMTest 类的一个方法被调用，并且这个方法引用了 Java api 的 java.util.HashMap 类，因为这个引用是首次被运行的程序使用，所以虚拟机会请求你的类加载器（加载 JVMTest 的）来装载 java.util.HashMap 。 就像以前一样，你的类加载首先将请求传递给双亲，然后一路向上委派给启动类加载器，但是这一次，启动类加载可以将 java.util.HashMap 类返回给你的类加载器，因为启动类加载器可以找到这个类，所以从这一刻开始，不管何时 JVMTest 引用名为 java.util.HashMap 的类， JVM 就可以直接使用这个 java.util.HashMap 类了。

 

 

类加载“双亲”委托机制对安全的作用：

在双亲委派模式下，启动类加载器可以抢在已安装扩展类加载器之前去加载类，而标准扩展类加载器可以抢在类路径类加载器之前去加载那个类，类路径类加载器又可以抢在网络类加载器之前去加载它。 这样，在使用双亲委派机制中，启动类加载器会在最可信的类库--- 核心 Java API 中首先检查每个被加载的类型，然后依次到标准扩展、类路径上的本地类文件中检查，所以，

如果网络类加载器发出尝试通过下载加载一个和Java API 中某个类型同名的类型，例如：

java.lang.Integer,则这样的加载不会成功。因为在 Java API 中， java.lang.Integer 存在，它将被启动类加载器加载进 JVM ，而网络类加载器则没机会再次加载同名的 java.lang.Integer ，它只能使用双亲返回的类，所以这样就有效的防止了不可靠代码的不安全运行。

 

 

Class文件检验器

与类加载器一起，class 文件检验器保证加载的 class 文件内容有正确的内部结构，并且这些 class 文件相互协调一致。其实现的安全目标之一就是保证程序的健壮性 .

检验器主要分为四趟来检查这个class 文件的内部结构 .

1． 在类被加载时进行，检查这个class 文件，保证它被安全编译

2．  

3． 与第2 趟一起，在连接过程中进行， class 验证器确认类型数据遵循 Java 编程语言的语义 .

4． 在进行动态连接过程中解析符号引用时进行的，class 验证器确认被引用的类、字段以及方法确实存在。

 

简单介绍一下，每一个流程所做的一些事情：

第一趟，class 文件的结构检查

Class文件内部，检查是否以魔数开头 (0XCAFABABE) ，再检查 class 文件的主次版本号，然后检验是否数据不完整，内容是否有删节等……

 

第二趟，类型数据的语义检查

主要检验class 每个组成部分，确认它们是否是其所属类型的实例，它们的结构是否正确。例如，检验器强制规定除 Object 类以外的所有类，都必须有一个父类，另外还要检查 final 类没有被子类化，而且 final  方法没有被覆盖 . 也就是说， class 文件检验器在运行时检查了一些 Java 语言应该在编译时遵守的强制规则 .

 

第三趟，字节码验证

JVM对字节流进行数据流分析，这些字节流代表的是类的一些方法。这里引入两个特别的概念，字节码和栈帧

什么叫字节码？

由被成为操作码的单字节指令组成的序列，每个操作码后都跟着一个或多个操作数.  可以通过 javap  命令来查看字节码

什么叫栈帧？

栈帧其实就是一个内存片段，其中存储着局部变量和计算的中间结果.

 

第四趟，符号引用的验证

JVM将会跟踪那些引用 ---- 从被验证的 class 文件到被引用的 class 文件，以确保这个引用是正确的。

大多数JVM 的实现采用延迟加载类的策略、直到类真正地被程序使用时才加载。即使一个实现确实预先加载这些类，这是为了加快加载过程的速度，那它还是会表现为延迟加载。

 

 

Java虚拟机中内置的安全特性

JVM中内置的安全特性有 :

Ø  类型安全的引用转换

Ø  结构化的内存访问（无指针算法）

Ø  自动垃圾收集（不必要显式的释放被分配的内存）

Ø  数组边界检查

Ø  空引用检查

 

（PS，Java安全管理器以及JavaAPI级别安全机制后续文章中会整理出来……）

貌似是对深入Java虚拟机这本书第一章的总结？

是的， 是阅读《深入Java虚拟机》中‘安全’一章的整理和总结，整理中也有加入自己的理解。