信息安全系統設計基礎第八週期中總結

時間 2019-11-19

標籤信息安全系統設計基礎第八週期總結欄目系統安全简体版

原文原文鏈接

1、知識點總結

注：期中知識點總結概括了教材第1、2、3、4、6、七章的重點內容和Linux命令man、cheat、grep、vi、gcc、gdb、make的使用，詳細知識點內容請見前六篇博客。程序員

（一）第一章計算機系統漫遊

1. 信息=位+上下文。算法

2. 翻譯過程分爲四個階段：預處理、編譯、彙編、連接，預處理器、編譯器、彙編器、連接器一塊兒構成編譯系統。數組

3. 系統的硬件組成：總線、I/O設備、內存、處理器。緩存

4. 併發：一個同時具備多個活動的系統。並行：用併發使一個系統運行地更快，並行能夠在計算機系統多個抽象層次上運用。按照系統層次結構由高到低的順序強調三個層次：線程級併發、指令級並行、單指令多數據並行。安全

5. 操做系統內核是應用程序和硬件之間的媒介，提供三個基本的抽象：網絡

文件是對I/O設備的抽象併發
虛擬存儲器是對主存和磁盤的抽象函數
進程是對處理器、主存和I/O設備的抽象工具

6. 計算機系統是由硬件和系統軟件組成的，程序被其餘程序翻譯成不一樣的形式，開始時是ASCII文本，而後被編譯器和連接器翻譯成二進制可執行文件。性能

7. 處理器讀取並解釋存放在主存裏的二進制指令。

（二）第二章信息的表示和處理

1. 字長：指明整數和指針數據的標稱大小。一個字長爲w的機器的虛擬地址範圍爲0~2^(w-1)，程序最多訪問2^w個字節。

2. int 、char 4字節，單精度float 字節，雙精度double 8字節。

3. 三種最重要的數字表示：無符號、補碼、浮點數。

4. 運算：整數運算、浮點運算。

5. 小端法和大端法

小端法：最低有效字節在前面——「高對高，低對低」
大端法：最高有效字節在前面

6.布爾代數：

與： &
或： |
非： ~
異或：^

7. 邏輯運算符

與：&&
或：||
非：！

8. 邏輯運算和位運算的區別

只有當參數被限制爲0或1時，邏輯運算才與按位運算有相同的行爲。
若是對第一個參數求值就能肯定表達式的結果，邏輯運算符就不會對後面的參數求值。

9. 移位運算

邏輯右移：在左端補k個0，多用於無符號數移位運算
算術右移：在左端補k個最高有效位的值，多用於有符號數移位運算。

10. 有符號數和無符號數的轉換

（1）有符號數→無符號數：

非負數——保持不變
負數——轉換成大正數

（2）無符號數→有符號數：

小於2的w-1次方——保持不變
大於2的w-1次方——轉換爲負數值

11.擴展

零擴展：多用於無符號數轉換爲一個更大的數據類型，只需在開頭加上0便可。
符號擴展：多用於補碼數字轉換，最高有效位是什麼，就添加什麼。

12.截斷數字

將一個w位的數截斷爲k位數字時，就會丟棄高w-k位。

對於無符號數來講，就至關於 mod 2的k次冪
對於有符號數來講，先按照無符號數截斷，而後再轉化爲有符號數

13.舍入

向偶舍入：將數字向上或向下舍入，是的結果的最低有效數字爲偶數。能用於二進制小數。
向零舍入：把整數向下舍入，負數向上舍入。
向下舍入：正數和負數都向下舍入。
正數和負數都向上舍入。

（三）第三章程序的機器級表示

1. GCC將源代碼轉化爲可執行代碼的步驟

C預處理器——擴展源代碼-生成.i文件
編譯器——產生兩個源代碼的彙編代碼-——生成.s文件
彙編器——將彙編代碼轉化成二進制目標代碼——生成.o文件
連接器——產生可執行代碼文件

2. 幾個處理器

程序計數器(CS:IP)
整數寄存器（AX,BX,CX,DX）
條件碼寄存器（OF,SF,ZF,AF,PF,CF）
浮點寄存器

3. 數據格式

（1）Intel：

8 位：字節
16位：字
32位：雙字
64位：四字

（2）c語言基本數據類型對應的IA32表示：

char    字節  1字節
short   字   2字節
int     雙字  4字節
long int 雙字 4字節
long long int （不支持） 4字節
char *  雙字 4字節
float   單精度 4字節
double  雙精度 8字節
long double 擴展精度 10/12字節

4. 操做數類型：當即數、寄存器、存儲器

5. 尋址方式

（1）當即數尋址方式
格式：$後加用標準c表示法表示的整數，如$0xAFF

（2）寄存器尋址方式
如%eax，與彙編中學過的AX寄存器類比。

（3）存儲器尋址方式

- 直接尋址方式
- 寄存器間接尋址方式
- 寄存器相對尋址方式
- 基址變址尋址方式
- 相對基址變址尋址方式

6. 數據傳送指令

mov指令
入棧push
出棧pop

7. 條件碼

CF:進位標誌
ZF:零標誌
SF:符號標誌
OF:溢出標誌

8. 循環

do while
while
for

9. 棧幀

寄存器%ebp-幀指針，寄存器%esp-棧指針
棧用來傳遞參數、存儲返回信息、保存寄存器，以及本地存儲。

10. 轉移控制

call：CALL指令的效果是將返回地址入棧，並跳轉到被調用過程的起始處。返回地址是還在程序中緊跟在call後面的那條指令的地址。
ret：指從棧中彈出地址，並跳轉到這個位置。
leave可使棧作好返回的準備

11. 指針

每一個指針都對應一個類型
每一個指針都有一個值
指針用&運算符建立
運算符*用於指針的間接引用
數組與指針緊密聯繫
將指針從一種類型強制轉換成另外一種類型，只改變它的類型而不改變它的值
指針也能夠指向函數

（四）第四章處理器體系結構

1. Y86指令集

4個整數操做指令：addl、subl、andl、xorl
7個跳轉指令：jmp、jle、jl、je、jne、jge、jg
6個條件傳送指令：cmovle、cmovl、cmove、cmovne、cmovge、cmovg
Halt指令中止指令的執行

2. 邏輯設計和硬件控制語言HCL

邏輯門：&&、|| 、！
字級的組合電路和HCL整數表達式：一些位級信號表明一個整數或一些控制模式。執行字級計算的組合電路根據輸入字的各個位，用邏輯門來計算輸出字的各個位。
兩類存儲器設備

時鐘寄存器（簡稱寄存器）：存儲單個位或字，時鐘信號控制寄存器加載輸入值

隨機訪問存儲器（簡稱存儲器）：存儲多個字，用地址來選擇該讀或該寫哪一個字

3. Y86的順序實現

取指：取指階段從存儲器讀取指令字節，地址爲程序計數器PC的值
譯碼：譯碼階段從寄存器文件讀入最多兩個操做數
執行：在執行階段，算數/邏輯單元要麼根據ifun的值執行指令指明的操做，計算機存儲器引用的有效地址，要麼增長或減小棧指針
訪存：訪存階段能夠將數據寫入存儲器，或從存儲器讀出數據
寫回：寫回階段最多能夠寫兩個結果到寄存器文件
更新PC：將PC設置成下一條指令的地址

4. SEQ階段的實現

取指階段

取指階段包括指令存儲器硬件單元。以PC做爲第一個字節（字節0）的地址，這個單元一次從存儲器讀出6個字節，第一個字節被解釋稱指令字節，分爲兩個4位數。標號爲「icode」和「ifun」的控制邏輯塊計算指令和功能碼等於從存儲器讀出值，或者當指令地址不合法時（imem_error指明），這些值對應於nop指令。
譯碼和寫回階段

都要訪問寄存器文件。寄存器文件有四個端口，支持同時進行兩個讀（端口A、B）和兩個寫（E、M），每一個端口都有一個地址鏈接和一個數據鏈接。根據指令代碼icode以及寄存器指示值rA和rB，可能還會根據執行階段計算出的Cnd條件信號。
執行階段

執行階段包括算術/邏輯單元（ALU）第一步每條指令的ALU計算，執行階段還包括條件碼寄存器。
訪存階段

訪存階段的任務是讀或者寫程序數據，兩個控制塊產生存儲器地址和存儲器輸入數據的值，另外兩個塊產生控制信號代表應該執行讀操做仍是寫操做。當執行讀操做時數據存儲器產生值valM。
更新PC階段

SEQ中最後一個階段會產生程序計數器的新值，依據指令的類型和是否要選擇分支，新的PC多是valC、valM、valP。

（五）第六章存儲器層次結構

1. 存儲器系統是一個具備不一樣容量、成本和訪問時間的存儲設備的層次結構。CPU寄存器保存着最經常使用的數據。小而快的高速緩存寄存器靠近CPU，下層存儲設備慢而大、便宜。

2. 基本存儲技術

SRAM存儲器
DRAM存儲器
ROM存儲器
旋轉和固態的硬盤

3. 隨機訪問存貯器：分爲靜態（SRAM）和動態（DRAM）兩類，SRAM更快更貴，用來做爲高速緩存存儲器。DRAM用來做爲主存以及圖形系統的幀緩衝區。

靜態RAM：將每一個位存儲在一個雙穩態的存儲器單元裏，只要有電就會永遠保持它的值。
動態RAM：將每一個位存儲爲對一個電容的充電，當電容的電壓被幹擾後就存儲器單元就永遠不會恢復了。存儲器系統必須週期性地經過讀出，而後重寫來刷新存儲器的每一位。

4. 訪問主存：數據流經過稱爲總線的共享電子電路在處理器和DRAM主存之間來回。讀事物從主存傳送數據到CPU，寫事物從CPU傳送數據到主存。

總線是一組並行的導線，能攜帶地址、數據和控制信號。
計算機系統配置：CPU芯片、I/O橋、組成主存的DRAM存儲器模塊
系統總線鏈接CPU和I/O橋，存儲器總線鏈接I/O橋和主存

5. 磁盤構造：磁盤由盤片構成，每一個盤片有兩面或稱爲表面，盤片中央有一個可旋轉的主軸，它使盤片以固定的旋轉速率旋轉。

6. 磁盤容量=字節數/扇區 * 平均扇區數/磁道 * 磁道數/表面 * 表面數/盤片 * 盤片數/磁盤

7. 對扇區的訪問時間有三個主要部分：尋道時間、旋轉時間、傳送時間

尋道時間：爲了讀取某個目標扇區的內容，傳動臂首先將讀寫頭定位到包含目標扇區的磁道上。移動傳動臂所需的時間稱爲尋道時間。
旋轉時間：最大旋轉延遲Tmax rotation=1/RPM * 60secs/1min。平均旋轉時間Tavg rotation的一半。
傳送時間：Tavg transfer=1/RPM * 1/(平均扇區數/磁道) * 60secs/1min
估計總訪問時間=Tavg seek+Tavg rotation+Tavg transfer。由於尋道時間和旋轉延遲大體相等，因此將尋道時間乘以2可簡單估計磁盤訪問時間。

8. 局部性：時間局部性、空間局部性

重複引用同一個變量的程序有良好的時間局部性。
對於具備步長爲k的引用模式的程序，步長越小空間局部性越好。具備步長爲1的引用模式的程序有很好的空間局部性。在存儲器中以大步長跳來跳去的程序空間局部性不好。
對於取指令而言，循環有好的時間和空間局部性。循環體越小，循環迭代次數越多，局部性越好。

9. 存儲器結構

高速緩存是一個小而快速的存儲設備，它做爲存儲在更大也更慢的設備中的數據對象的緩衝區域。使用高速緩存的過程稱爲緩存。
存儲器層次結構的中心思想：對於每一個k，位於k層的更快更小的存儲設備做爲位於k+1層的更大更慢的存儲設備的緩存。
緩存命中：當程序須要第k+1層的某個數據對象d時，首先在當前存儲於第k層的一個塊中查找d，且d恰好緩存在第k層。
緩存不命中：當程序須要第k+1層的某個數據對象d時，首先在當前存儲於第k層的一個塊中查找d，且第k層沒有緩存數據對象d。覆蓋一個現存的塊的過程稱爲替換或驅逐這個塊，被驅逐的這個塊也稱爲犧牲塊。決定該替換哪一個塊由緩存的替換策略控制。

10. 直接映射高速緩存：高速緩存肯定一個請求是否命中，而後抽取被請求的字的過程分爲三步

組選擇
行匹配
字抽取

11. 組相聯高速緩存

組中的任何一行都能包含任何映射到這個組的存儲器塊，因此高速緩存必須搜索組中的每一行，尋找一個有效的行，其標記與地址中的標記相匹配。若是高速緩存找到了這樣一行就命中，塊偏移從這個塊中選擇一個字，和前面同樣。
緩存不命中則高速緩存必須從存儲器中取出包含這個字的塊，若是有一個空行則能夠被替換，若是沒有空行則必須從中選擇一個非空的行，但願CPU不會很快引用這個被替換的行。

（1）最不經常使用策略

（2）最近最少使用策略

12. 全相聯高速緩存：全相聯高速緩存中的行匹配和字選擇與組相聯高速緩存中的同樣，主要區別是規模大小的問題。全相聯高速緩存只適合作小的高速緩存。

13. 寫

寫命中：

直寫：高速緩存更新了它的w拷貝後當即將w的高速緩存塊寫到緊接着的低一層中。缺點是每次寫都會引發總線流量。

寫回：儘量推遲存儲器更新，只有當替換算法要驅逐更新過的塊時，才把它寫到緊接着的低一層中。能顯著地減小總線流量，缺點是增長了複雜性。高速緩存必須爲每一個高速緩存行維護一個額外的修改位，代表這個高速緩存塊是否被修改過。
寫不命中

寫分配：加載相應的低一層中的塊到高速緩存中，而後更新這個高速緩存塊。缺點是每次不命中都會致使一個塊從低一層傳送到高速緩存。

非寫分配：避開高速緩存，直接把這個字寫到低一層中。直寫高速緩存一般是非寫分配的，寫回高速緩存一般是寫分配的。

14. 高速緩存參數的性能影響

高速緩存大小的影響：較大的高速緩存可能會提升命中率，使大存儲器運行得更快更難，較大的高速緩存可能會增長命中時間。
塊大小的影響：較大的塊能利用程序中可能存在的空間局部性，幫助提升命中率。但對於給定的高速緩存大小，塊越大表明高速緩存行數越少，會損害時間局部性比空間局部性更好的程序的命中率。較大的塊對不命中處罰也有負面影響。
相聯度的影響：較高的相聯度（E值較大）的優勢是下降了高速緩存因爲衝突不命中出現抖動的可能性。但較高的相聯度成本較高，很難使之速度變快，增長命中時間，增長不命中處罰。
寫策略的影響：直寫高速緩存容易實現，且能獨立於高速緩存的寫緩衝區，用來更新存儲器。讀不命中的開銷不大，由於不會觸發存儲器寫。另外，寫回高速緩存引發的傳送較少。通常高速緩存越往下層越可能使用寫回。

15. 存儲器山

一個程序從存儲系統中讀數據的速率稱爲讀吞吐量或讀帶寬。
每臺計算機都有代表他存儲器系統的能力特點的惟一的存儲器山。
目的：使得程序運行在山峯而不是低谷。利用時間局部性，使得頻繁使用的字從L1中取出；利用空間局部性，使得儘量多的字從一個L1高速緩存行中訪問到。

（六）第七章連接

1. 靜態連接器主要任務：符號解析、重定位。

2. 目標文件形式：可重定位目標文件、可執行目標文件、共享目標文件。

3. 每一個可重定位目標模塊m都有一個符號表，它包含m所定義和引用的符號的信息。有三種不一樣的符號：

由m定義並能被其餘模塊引用的全局符號
由其餘模塊定義並被模塊m引用的全局符號
只被模塊m定義和引用的本地符號

（七）Linux命令

1. man -k

man -k k1|grep k2|grep 2

2. cheat

使用du命令對當前目錄下的目錄或文件按大小排序的命令是du -sk *| sort -rn
To list the content of /path/to/foo.tgz archive using tar ( tar -jtvf /path/to/foo.tgz )

3. grep

使用grep查找當前目錄下*.c中main函數在那個文件中的命令是grep main *.c
grep -nr xxx/usr/include 查找宏
~/test 文件夾下有不少c源文件，查找main函數在哪一個文件中可用命令grep main *.c

4. find

查找當前目錄下2天前被更改過的文件find . -mtime +2 -type f -print
查找當前目錄下全部目錄的find命令是find . -type d

（八）vi、gcc、gdb、make的使用

1. gcc庫選項

static 進行靜態編譯，即連接靜態庫，禁止使用動態庫
shared 1．能夠生成動態庫文件 2．進行動態編譯，儘量地連接動態庫，只有當沒有動態庫時纔會連接同名的靜態庫（默認選項，便可省略）
L dir 在庫文件的搜索路徑列表中添加dir 目錄
lname 連接稱爲libname.a（靜態庫）或者libname.so（動態庫）的庫文件。若兩個庫都存在，則根據編譯方式（-static 仍是-shared）而進行連接
$ gcc –g gdb.c -o testgdb 使用gdb調試$ gdb testgdb 啓動gdb鍵入 l命令至關於list命令，從第一行開始列出源碼

2. gdb調試器

查看文件: 在gdb 中鍵入「l」（list）就能夠查看所載入的文件
設置斷點: 設置斷點是調試程序中一個很是重要的手段，它可使程序運行到必定位置時暫停。所以，程序員在該位置處能夠方便地查看變量的值、堆棧狀況等，從而找出代碼的癥結所在。在gdb 中設置斷點很是簡單，只需在「b」後加入對應的行號便可
查看斷點狀況: 在設置完斷點以後，用戶能夠鍵入「info b」來查看設置斷點狀況
運行代碼: gdb 默認從首行開始運行代碼，鍵入「r」（run）便可（若想從程序中指定行開始運行，可在r 後面加上行號）
查看變量值: 在程序中止運行以後，程序員所要作的工做是查看斷點處的相關變量值。在gdb 中鍵入「p」+變量值便可
單步運行: 單步運行可使用命令「n」（next）或「s」（step），它們之間的區別在於：如有函數調用的時候，「s」會進入該.數而「n」不會進入該函數。
(gdb) break 16 設置斷點，在源程序第16行處。
(gdb) break func 設置斷點，在函數func()入口處。
(gdb) info break 查看斷點信息。

3. make

makefile的好處：自動化編譯。make是一個命令工具，是一個及時makefile中命令的工具程序。make工具最主要也是最基本的功能就是根據makefile文件中描述的源程序至今的相互關係來完成自動編譯、維護多個源文件工程。
Makefile的通常寫法

test(目標文件): prog.o code.o(依賴文件列表)tab(至少一個tab的位置) gcc prog.o code.o -o test(命令)

4. vi

vi 有3 種模式，分別爲命令行模式、插入模式及命令行模式。

（1）命令行模式

用戶在用vi 編輯文件時，最初進入的爲通常模式。在該模式中用戶能夠經過上下移動光標進行「刪除字符」或「整行刪除」等操做，也能夠進行「複製」、「粘貼」等操做，但沒法編輯文字。

（2）插入模式

只有在該模式下，用戶才能進行文字編輯輸入，用戶按[ESC]可鍵回到命令行模式。

（3）底行模式

在該模式下，光標位於屏幕的底行。用戶能夠進行文件保存或退出操做，也能夠設置編輯環境，如尋找字符串、列出行號等。

vi的基本流程

（1）進入vi，即在命令行下鍵入「vi hello」（文件名）。此時進入的是命令行模式，光標位於屏幕的上方

（2）在命令行模式下鍵入i 進入插入模式

（3）最後，在插入模式中，按「Esc」鍵，則當前模式轉入命令行模式，並在底行行中.入「:wq」（存盤退出）進入底行模式
vi 的各模式功能鍵

命令行模式常見功能鍵

i 切換到插入模式，在目前的光標所在處插入輸入的文字，已存在的文字會向後退

a 切換到插入模式，並從目前光標所在位置的下一個位置開始輸入文字

o 切換到插入模式，且從行首開始插入新的一行

0（數字0） 光標移到本行的開頭

G 光標移動到文件的最後

nG 光標移動到第n 行

$ 移動到光標所在行的「行尾」

n<Enter> 光標向下移動n 行

dd 刪除光標所在行

ndd 從光標所在行開始向下刪除n 行

yy 複製光標所在行

nyy 複製光標所在行開始的向下n 行

u 恢復前一個動做

插入模式常見功能鍵

插入模式的功能鍵只有一個，即按「Esc」鍵可回到命令行模式。

底行模式常見功能鍵

:w 將編輯的文件保存到磁盤中

:q 退出vi（系統對作過修改的文件會給出提示）

:q! 強制退出vi（對修改過的文件不做保存）

:wq 存盤後退出

:w [filename] 另存一個名爲filename 的文件

:set nu 顯示行號，設定以後，會在每一行的前面顯示對應行號

:set nonu 取消行號顯示

2、期中學習總結

信息安全信息設計基礎這門課開課以來已通過了半學期，這幾個月的時間內，我從一開始對學習方法的不習慣慢慢過渡到逐漸適應的階段，學習也漸入佳境。目前已經學習了教材第1、2、3、4、6、七章的內容，對於計算機的具體層次結構和數據處理方式有了更深入的理解。不過我認爲我收穫最大的不是這方面，而是在不斷學習、不斷改進中掌握了最適合本身的學習方法，即先閱讀課本，將重點內容和不理解的內容記下來，經過網上查閱資料、諮詢身邊同窗解決問題，而且經過實踐加深對重點內容的理解記憶，定時回顧從前學過的內容，避免遺忘生疏。這種學習方法不只適用於系統設計基礎這門課，對於其餘課程，甚至是工做以後的繼續學習也是大有裨益。我相信「元知識」的積累也必定是短暫的大學生涯中最寶貴的財富。

可是，在學習中我仍存在不足的地方亟需改進。好比在遇到問題時以爲本身沒法解決就習慣於求助同窗和網絡資料，不少時候缺乏深度鑽研、深度思考這個過程，這樣致使對於問題的理解不夠深入，過一段時間就很容易忘記。意識到這個問題後，我下定決心在以後的學習生活中都要改變這種懶散的心態，不畏疑難，遇到難題時首先本身積極思考解決方法而不是依賴於他人。

本門課程的學習任務安排方面，我以爲很合適。萬事開頭難，前面打好基礎後在以後的學習中就感受稍輕鬆一些。除此以外，我對本門課程有感到疑惑的地方，老師偶爾會在羣裏發佈一些額外小任務或是在課堂上說一些加分項，可是這些加分項太多而我不太清楚這些加分項是屬於哪一個部分，那個部分的總分足夠後多餘的分是否會累加到其餘項中。並且如今也存在着有些加分項分數很高的同窗仍然哄搶題目的狀況，或許是他們不知道本身的分數是否已滿，索性多多益善，直接致使手速慢一點的同窗拿不到家庭做業題目。我以爲若是能將全部加分項、對應分值以及該項目多出分數的處理方法列出來，應該能解決這個問題。謝謝老師！