Loading article…
オペレーティングシステムの文脈では、デバイスドライバは、コンピュータまたはオートマトンに接続された特定の種類のデバイスを操作または制御するコンピュータプログラムです。[1]ドライバはハードウェアデバイスへのソフトウェアインターフェイスを提供し、オペレーティングシステムやその他のコンピュータプログラムは、使用されているハードウェアに関する正確な詳細を知らなくてもハードウェア機能にアクセスできるようになります。
ドライバーは、ハードウェアが接続されているコンピュータ バスまたは通信サブシステムを介してデバイスと通信します。呼び出しプログラムがドライバー内のルーチンを呼び出すと、ドライバーはデバイスにコマンドを発行します (デバイスを駆動します)。デバイスがドライバーにデータを送り返すと、ドライバーは元の呼び出しプログラム内のルーチンを呼び出すことができます。
ドライバはハードウェアに依存し、オペレーティングシステムに固有です。通常、ドライバは、必要な非同期時間依存ハードウェアインターフェースに必要な割り込み処理を提供します。 [2]
目的
デバイス ドライバーの主な目的は、ハードウェア デバイスと、それを使用するアプリケーションまたはオペレーティング システムとの間の翻訳者として動作することで抽象化を提供することです。 [1]プログラマーは、エンド ユーザーが使用している特定のハードウェアとは無関係に、より高レベルのアプリケーション コードを作成できます。たとえば、シリアル ポートとやり取りする高レベルのアプリケーションには、単に「データ送信」と「データ受信」の 2 つの関数があるだけです。より低レベルでは、これらの関数を実装するデバイス ドライバーは、ユーザーのコンピューターにインストールされている特定のシリアル ポート コントローラーと通信します。16550 UART を制御するために必要なコマンドは、 FTDIシリアル ポート コンバーターを制御するために必要なコマンドとは大きく異なりますが、各ハードウェア固有のデバイス ドライバーは、これらの詳細を同じ (または類似の) ソフトウェア インターフェイスに 抽象化します。
発達
デバイス ドライバーを作成するには、特定のプラットフォーム機能に対してハードウェアとソフトウェアがどのように機能するかを深く理解する必要があります。ドライバーは動作するためにハードウェア機能への低レベルのアクセスを必要とするため、通常は高度な権限を持つ環境で動作し、何か問題が発生するとシステムの動作に問題が生じる可能性があります。対照的に、最新のオペレーティング システム上のほとんどのユーザー レベル ソフトウェアは、システムの他の部分に大きな影響を与えることなく停止できます。デバイスが誤ってプログラムされている場合、ユーザー モードで実行されているドライバーでもシステムをクラッシュさせる可能性があります。これらの要因により、問題の診断がより困難で危険になります。[3]
したがって、ドライバの作成作業は、通常、ハードウェア開発会社に勤めるソフトウェア エンジニアまたはコンピュータ エンジニアが担当します。これは、彼らがハードウェアの設計について、ほとんどの部外者よりも詳しい情報を持っているためです。さらに、顧客がハードウェアを最適な方法で使用できるようにすることは、伝統的にハードウェアメーカーの利益であると考えられてきました。通常、論理デバイス ドライバ (LDD) はオペレーティング システム ベンダーによって作成され、物理デバイス ドライバ (PDD) はデバイス ベンダーによって実装されます。ただし、近年では、ベンダー以外の企業が、主にフリーおよびオープン ソースの オペレーティング システムで使用するために、独自のデバイス用のデバイス ドライバを多数作成しています。このような場合、ハードウェア メーカーがデバイスの通信方法に関する情報を提供することが重要です。この情報はリバース エンジニアリングによって取得することもできますが、ハードウェアの場合はソフトウェアの場合よりも困難です。
Microsoft は、 Windows ドライバー フレームワーク(WDF)と呼ばれるドライバー開発用の新しいフレームワークを作成することで、デバイス ドライバーの記述が不十分なために発生するシステムの不安定性を軽減しようとしています。これには、ユーザー モード ドライバー フレームワーク(UMDF ) が含まれます。UMDFは、特定の種類のドライバー (主に、デバイスとの通信にメッセージ ベースのプロトコルを実装するドライバー) をユーザー モード ドライバーとして開発することを推奨しています。このようなドライバーが誤動作しても、システムの不安定性は発生しません。カーネル モード ドライバー フレームワーク(KMDF) モデルでは、カーネル モード デバイス ドライバーの開発が引き続き許可されますが、I/O 操作のキャンセル、電源管理、プラグ アンド プレイ デバイスのサポートなど、問題を引き起こすことが知られている機能の標準実装を提供しようとしています。
Apple には、 I/O Kit と呼ばれる、 macOS上でドライバーを開発するためのオープンソース フレームワークがあります。
Linux環境では、プログラマーはデバイスドライバーをカーネルの一部として、またはロード可能なモジュールとして個別に、あるいはユーザーモードドライバー（USBデバイスなどカーネルインターフェースが存在する特定の種類のデバイス用）として構築することができる。Makedevには、ttyS（ターミナル）、lp（パラレルポート）、hd（ディスク）、ループ、サウンド（ミキサー、シーケンサー、DSP、オーディオを含む）など、Linuxのデバイスのリストが含まれている。[4]
Microsoft Windows .sysファイルとLinux .ko ファイルには、ロード可能なデバイス ドライバーを含めることができます。ロード可能なデバイス ドライバーの利点は、必要なときにのみロードしてアンロードできるため、カーネル メモリを節約できることです。
権限レベル
オペレーティングシステムによっては、デバイスドライバがさまざまな権限レベルで実行できる場合があります。ドライバがどの権限レベルにあるかは、オペレーティングシステムが使用するカーネルの種類によって大きく異なります。Linuxカーネルなどのモノリシックカーネルを使用するオペレーティングシステムでは、通常、デバイスドライバが他のすべてのカーネルオブジェクトと同じ権限で実行されます。対照的に、Minixなどのマイクロカーネルを中心に設計されたシステムでは、ドライバはカーネルから独立したプロセスとして配置されますが、カーネルは重要な入出力機能に使用され、ユーザープログラム間およびユーザープログラム間でメッセージが渡されます。[5]ハイブリッドカーネルを備えたシステムであるWindows NT では、デバイスドライバがカーネルモードまたはユーザーモードのいずれかで実行されるのが一般的です。[6]
メモリをさまざまな権限レベルに分離する最も一般的なメカニズムは、保護リングを使用するものです。x86やARMプロセッサなどの多くのシステムでは、リングを切り替えるとパフォーマンスが低下します。これは、ネットワークインターフェイスカードなど、低遅延で実行することが望まれるデバイス用のドライバを作成するときに、オペレーティングシステム開発者や組み込みソフトウェアエンジニアが考慮する要素です。ドライバをユーザーモードで実行する主な利点は、安定性が向上することです。これは、不適切に作成されたユーザーモードデバイスドライバがカーネルメモリを上書きしてシステムをクラッシュさせることがないためです。[7]
アプリケーション
現代のハードウェアとオペレーティングシステムの多様性により[アップデート]、ドライバーはさまざまな環境で動作します。[8]ドライバーは以下とインターフェースすることができます。
- プリンター
- ビデオアダプタ
- ネットワークカード
- サウンドカード
- PC チップセット
- さまざまな種類のローカルバス、特に最新のシステムでのバスマスタリング用
- さまざまな種類の低帯域幅 I/Oバス (マウス、キーボードなどのポインティング デバイス用)
- ハードディスク、CD-ROM、フロッピーディスクバス（ATA、SATA、SCSI、SAS）などのコンピュータストレージデバイス
- さまざまなファイルシステムのサポートを実装する
- 画像スキャナ
- デジタルカメラ
- 地上デジタルテレビチューナー
- ホームオートメーションにおける短距離および低速無線通信に使用される無線パーソナルエリアネットワーク用の無線周波数通信トランシーバー アダプター(例: Bluetooth Low Energy (BLE)、Thread、Zigbee、Z-Wave )。
- IrDAアダプタ
デバイス ドライバーの一般的な抽象化レベルは次のとおりです。
- ハードウェアの場合:
- 直接インターフェース
- デバイス制御レジスタへの書き込みまたは読み取り
- より高レベルのインターフェースを使用する（例：ビデオBIOS）
- 別の低レベルデバイスドライバーを使用する（例：ディスクドライバーを使用するファイルシステムドライバー）
- ハードウェアを使って全く異なる作業をシミュレートする[9]
- ソフトウェアの場合:
- オペレーティングシステムがハードウェアリソースに直接アクセスできるようにする
- プリミティブのみを実装する
- 非ドライバソフトウェア（例： TWAIN）用のインターフェースの実装
- 言語の実装、時には非常に高レベルな言語（例：PostScript）
そのため、特定のハードウェアに適したデバイスドライバを選択してインストールすることが、コンピュータシステム構成の重要な要素となることがよくあります。[10]
仮想デバイスドライバー
仮想デバイス ドライバーは、デバイス ドライバーの特定のバリアントを表します。これらは、特に仮想化環境で、たとえばDOSプログラムがMicrosoft Windowsコンピューターで実行される場合や、ゲストオペレーティング システムがXenホストなどで実行される場合に、ハードウェア デバイスをエミュレートするために使用されます。ゲスト オペレーティング システムがハードウェアと対話できるようにする代わりに、仮想デバイス ドライバーは反対の役割を担い、ハードウェアの一部をエミュレートします。これにより、仮想マシン内で実行されるゲスト オペレーティング システムとそのドライバーは、実際のハードウェアにアクセスしているという錯覚を持つことができます。ゲスト オペレーティング システムによるハードウェアへのアクセスの試行は、たとえば関数呼び出しとして、ホスト オペレーティング システムの仮想デバイス ドライバーにルーティングされます 。仮想デバイス ドライバーは、割り込みなどのシミュレートされたプロセッサ レベルのイベントを仮想マシンに 送信することもできます。
仮想デバイスは、非仮想化環境でも動作する場合があります。たとえば、仮想ネットワーク アダプタは仮想プライベート ネットワークで使用され、仮想ディスクデバイスはiSCSIで使用されます。仮想デバイス ドライバーのよい例としては、デーモン ツールが挙げられます。
仮想デバイス ドライバーには、 VxD、VLM、VDD など、いくつかの種類があります。
オープンソースドライバー
- グラフィックデバイスドライバー
- プリンター: CUPS
- RAID: CCISS [11] (Compaq Command Interface for SCSI-3 Support [12] )
- スキャナー: SANE
- ビデオ: Vidix、ダイレクトレンダリングインフラストラクチャ
よく使用されるデバイス ドライバの Solaris の説明:
- fas: 高速/ワイド SCSI コントローラ
- hme: 高速 (10/100 Mbit/s) イーサネット
- isp: ディファレンシャル SCSI コントローラと SunSwift カード
- glm: (ギガボーリンクモジュール[13] ) UltraSCSIコントローラ
- scsi: 小型コンピュータシリアルインターフェース (SCSI) デバイス
- sf: soc+ またはソーシャル ファイバー チャネル アービトレート ループ (FCAL)
- soc: SPARC Storage Array (SSA) コントローラと制御デバイス
- social: FCAL 用シリアル光コントローラ (soc+)
APIについて
- Windows ディスプレイ ドライバー モデル(WDDM) – Windows Vista以降のグラフィック ディスプレイ ドライバー アーキテクチャ。
- 統合オーディオモデル（UAM）[14]
- Windows ドライバー ファンデーション(WDF)
- 宣言型コンポーネント化ハードウェア (DCH) -ユニバーサル Windows プラットフォームドライバー[15]
- Windows ドライバー モデル(WDM)
- ネットワーク ドライバ インターフェイス仕様(NDIS) – 標準のネットワーク カードドライバ API
- Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) – 標準の Linux サウンド ドライバー インターフェイス
- Scanner Access Now Easy (SANE) – ラスターイメージスキャナハードウェアへのパブリックドメインインターフェース
- インストール可能ファイルシステム(IFS) – IBM OS/2 および Microsoft Windows NT 用のファイルシステム API
- オープン データ リンク インターフェイス(ODI) – NDIS に似たネットワーク カード API
- Uniform Driver Interface (UDI) – クロスプラットフォームのドライバーインターフェースプロジェクト
- Dynax Driver Framework (dxd) – KMDFおよびIOKit用のC++オープンソースクロスプラットフォームドライバーフレームワーク[16]
識別子
PCI バスまたは USB上のデバイスは、それぞれ 2バイトで構成される 2 つの ID によって識別されます。ベンダー ID はデバイスのベンダーを識別します。デバイス ID は、その製造元/ベンダーの特定のデバイスを識別します。
PCI デバイスには、デバイスのメイン チップの ID ペアが設定されていることが多く、またベンダーを識別するサブシステム ID ペアも設定されています。ベンダー ID はチップ製造元とは異なる場合があります。
安全
コンピュータには、オペレーティングシステム（OS）カーネル内で実行される多様でカスタマイズされたデバイスドライバーが多数搭載されていることが多く、それらにはさまざまなバグや脆弱性が含まれていることが多く、攻撃の標的になりやすい。[17] BYOVD（ Bring Your Own Vulnerable Driver）は、ハッカーがカーネルに悪意のあるコードを挿入できる欠陥を含む署名済みの古いドライバーを使用します。[18]
脆弱な可能性があるドライバーには、WiFiやBluetoothのドライバー、[19] [20]、ゲーム/グラフィックドライバー、[21]、プリンターのドライバーなどがあります。[22]
特にMicrosoft Windows [23]などのクローズドソースOSでは、デバイスドライバのソースコードがほとんど公開されていない（オープンソース）[24]ことや、ドライバに多くの権限が与えられていることなどから、カーネルの脆弱性を効果的に検出するツールが不足している。[25] [26] [27] [28]
セキュリティ研究者のグループは、分離の欠如がカーネルのセキュリティを損なう主な要因の1つであると考えており、[29]オペレーティングシステムカーネル、主にモノリシックLinuxカーネルを保護するための分離フレームワークを公開しました。彼らによると、そのドライバは年間約80,000件のコミットを獲得しています。 [30] [31]
カーネルの設計において重要な考慮事項は、障害（フォールトトレランス）からの保護と悪意のある動作（セキュリティ）からの保護に対するサポートである。通常、これら2つの側面は明確に区別されておらず、カーネル設計でこの区別を採用すると、保護のための階層構造が拒否されることになる。[32]
カーネルが提供するメカニズムやポリシーは、静的（コンパイル時に強制）か動的（実行時に強制）、プリエンプティブか事後検出か、満たす保護原則（例：Denning [33] [34]）、ハードウェアでサポートされているか言語ベースか、オープンメカニズムかバインディングポリシーか、など、いくつかの基準に従って分類できます。参照
参考文献
- ^ ab 「デバイス ドライバーとは何ですか?」WhatIs.com . TechTarget。2021 年 2 月 13 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年3 月 19 日閲覧。
- ^ EMC 教育サービス (2010)。情報の保存と管理: デジタル情報の保存、管理、保護。John Wiley & Sons。ISBN 9780470618332. 2021年2月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年11月10日閲覧。
- ^ Burke, Timothy (1995). デバイスドライバの作成: チュートリアルとリファレンス。Digital Press。ISBN 9781555581411. 2021年1月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年8月5日閲覧。
- ^ 「MAKEDEV — Linux コマンド — Unix コマンド」。Linux.about.com。2009 年 9 月 11 日。2009 年 4 月 30 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年 9 月 17 日閲覧。
- ^ Tanenbaum, Andrew; Woodhull, Albert (2006).オペレーティングシステムの設計と実装(第3版). Upper Saddle River, NJ: Pearson Pretence Hall. p. 256. ISBN 0-13-142938-8。
- ^ ヨシフォビッチ、パベル、イオネスク、アレックス、ルッシノビッチ、デビッド・ソロモン (2017)。Windows内部構造、パート 1 (第 7 版)。ワシントン州レドモンド: Microsoft Press。ISBN 978-0-7356-8418-8。
- ^ 「ユーザー モード ドライバー フレームワーク (UMDF) の概要」。Microsoft。2006年 10 月 10 日。2010 年 1 月 7 日のオリジナルからアーカイブ。2008年 3 月 4 日に取得。
- ^デボラ・モーリー (2009)。『コンピュータ を理解する 2009: 今日と明日』Cengage Learning。ISBN 9780324830132. 2021年6月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年11月10日閲覧。
- ^ コンピュータ周辺機器とインターフェース。技術出版物プネ。2008年1月。pp.5～8。ISBN 978-8184314748. 2016年5月3日閲覧。[永久リンク切れ ]
- ^ 「デバイス ドライバーとは何か、なぜ必要なのか?」drivers.com。2015 年 4 月 17 日。2016 年 11 月 20 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年3 月 19 日閲覧。
- ^ "CCISS". SourceForge . 2010. 2010-08-21 にオリジナルからアーカイブ。2010-08-11に取得。ハード
ウェア RAID 機能を提供する HP (旧 Compaq) Smart Array コントローラのドライバ。
- ^ ラッセル、スティーブ、他 (2003-10-21)。略語と頭字語。IBM 国際技術サポート組織。p. 207。ISBN 0-7384-2684-9. 2011年8月14日閲覧。
{{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ) [永久リンク切れ ] - ^ 「米国特許 5969841 - 受信電力検出信号を備えたギガボー リンク モジュール」。PatentStorm LLC。2011 年 6 月 12 日にオリジナルからアーカイブ。2009年 9 月 8 日に取得。
ホスト デバイスとシリアル転送メディア間の双方向データ転送を実行するために、改良されたギガボー リンク モジュール (GLM) が提供されています。
- ^ 「Unified Audio Model (Windows CE 5.0)」。Microsoft Developer Network。2017年6月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年9月19日閲覧。
- ^ Dell US. 「DCH ドライバーとは何か、なぜそれについて知っておく必要があるのか? | Dell US」。www.dell.com。2020年 10 月 29 日閲覧。
- ^ 「dxd - dynax ドライバー フレームワーク: メイン ページ」。dxd.dynax.at。2016 年 5 月 29 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016 年 9 月 19 日閲覧。
- ^ Talebi, Seyed Mohammadjavad Seyed; Tavakoli, Hamid; Zhang, Hang; Zhang, Zheng; Sani, Ardalan Amiri; Qian, Zhiyun (2018). Charm: モバイルシステムのデバイスドライバーの動的分析を容易にする。pp. 291–307. ISBN 9781939133045. 2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11月5日閲覧。
- ^ Goodin, Dan (2022年10月14日). 「マイクロソフトの失策により、数百万台のPCがマルウェア攻撃にさらされる事態に」Ars Technica . 2022年11月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月8日閲覧。
- ^ Ridley, Jacob (2022年2月9日). 「Wi-FiとBluetoothのドライバーを今すぐアップデートした方がいいでしょう」. PC Gamer . 2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月5日閲覧。
- ^ 「ワイヤレス『BlueBorne』攻撃、数十億台のBluetoothデバイスを標的に」threatpost.com。2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11月5日閲覧。
- ^ Spadafora, Anthony (2022年1月12日). 「ゲーム用ドライバーをインストールすると、PCがサイバー攻撃に対して脆弱になる可能性がある」。TechRadar。2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月5日閲覧。
- ^ “HP、16年間プリンターに潜んでいた脆弱なドライバーを修正”. ZDNET . 2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11月5日閲覧。
- ^ パン、ジャンフェン;ヤン、グアンルー。ファン、シャオカオ（2017）。 Digtool: カーネルの脆弱性を検出するための{仮想化ベースの}フレームワーク。 149–165ページ。ISBN 9781931971409. 2022年11月5日閲覧。
- ^ King, Bertel (2022年6月18日). 「クローズドソースとオープンソースのハードウェアドライバー：なぜそれが重要なのか」. MUO . 2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月5日閲覧。
- ^ Branscombe, Mary (2022年4月7日). 「MicrosoftがDefender、サードパーティのセキュリティツール、Windows 11で脆弱で悪意のあるドライバーをブロックする方法」. TechRepublic . 2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月5日閲覧。
- ^ Goodin, Dan (2022年10月5日). 「何年もの間、重要なWindows防御を悩ませてきた1マイル幅の抜け穴の修正は見通せない」Ars Technica。 2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11月5日閲覧。
- ^ Davenport, Corbin. 「「Bring Your Own Vulnerable Driver」攻撃がWindowsを破壊」How-To Geek。2022年11月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月5日閲覧。
- ^ 「Windows 10 セキュリティ警告: 40 を超えるドライバーに脆弱性が見つかる」BleepingComputer . 2022 年 11 月 5 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11 月 5日閲覧。
- ^ “Fine-grained kernel isolation”. mars-research.github.io . 2022年9月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年9月15日閲覧。
- ^ Fetzer, Mary. 「Automatic device driver isolation protects against bugs in operating systems」ペンシルベニア州立大学、 techxplore.com経由。2022年9月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年9月15日閲覧。
- ^ Huang, Yongzhe; Narayanan, Vikram; Detweiler, David; Huang, Kaiming; Tan, Gang; Jaeger, Trent; Burtsev, Anton (2022). 「KSplit: デバイス ドライバー分離の自動化」(PDF) 。2022年 9 月 15 日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。2022年9 月 15 日閲覧。
- ^ ウルフ 1974 pp.337–345
- ^ デニング 1976
- ^ Swift 2005、p.29 引用:「分離、リソース制御、決定の検証 (チェック)、およびエラー回復。」
外部リンク
- Windows ハードウェア開発センター
- Linux ハードウェア互換性リストと Linux ドライバー
- 最新のデバイス ドライバーを理解する (Linux)
- BinaryDriverHowto、Ubuntu。
- Linux ドライバー ソース