一、冯·诺依曼体系结构与图灵机
冯·诺依曼体系结构 冯·诺伊曼结构（英语：Von Neumann architecture），也称冯·诺伊曼模型（Von Neumann model）或普林斯顿结构（Princeton architecture），是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构。本词描述的是一种实现通用图灵机的计算设备，以及一种相对于并行计算的序列式结构参考模型（referential model）。 本结构隐约指导了将存储设备与中央处理器分开的概念，因此依本结构设计出的计算机又称存储程序计算机。 存储程序计算机在体系结构上主要特点有： 以运算单元为中心 采用存储程序原理 存储器是按地址访问、线性编址的空间 控制流由指令流产生 指令由操作码和地址码组成 数据以二进制编码 冯·诺依曼瓶颈 冯·诺依曼架构为计算机大提速铺平了道路，却也埋下了一个隐患：在内存容量指数级提升以后，CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈。由于指令与数据放在同一内存带来的CPU利用率（吞吐率）降低就是冯诺依曼瓶颈 。 图灵机 图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作： 在纸上写上或擦除某个符号； 把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置； 而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于（a）此人当前所关注的纸上某个位置的符号和（b）此人当前思维的状态。 在某些模型中，纸带移动，而未用到的纸带真正是“空白”的。要进行的指令（q4）展示在扫描到方格之上。 在某些模型中，读写头沿着固定的纸带移动。要进行的指令（q1）展示在读写头内。在这种模型中“空白”的纸带是全部为0的。有阴影的方格，包括读写头扫描到的空白，标记了1,1,B的那些方格，和读写头符号，构成了系统状态。 为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成： 一条无限长的纸带TAPE。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号 {\displaystyle \square } \square表示空白。纸带上的格子从左到右依次被编号为0, 1, 2, ...，纸带的右端可以无限伸展。 一个读写头HEAD。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。 一套控制规则TABLE。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态，按照以下顺序告知图灵机命令： 写入（替换）或擦除当前符号； 移动 HEAD， 'L'向左， 'R'向右或者'N'不移动； 保持当前状态或者转到另一状态 一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。参见停机问题。 注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。 冯诺依曼体系结构与图灵机的关系 图灵机是一个计算机的理论模型，本质上是状态机；冯诺依曼体系是图灵机的实现，包括运算、控制、存储、输入、输出五个部分。诺依曼体系相对之前的计算机最大的创新在于程序和数据的存储，以此实现机器内部编程。图灵机的纸带应对应诺依曼计算机体系中的存储，读写头对应输入和输出，规则（读了一个符号后下一步做什么）对应运算，纸带怎么移动对应控制。 二、对“程序=指令+数据”的理解 程序 程序：计算机程序是一组计算机能识别和执行的指令，运行于电子计算机上，满足人们某种需求的信息化工具。 它以某些程序设计语言编写，运行于某种目标结构体系上。打个比方，程序就如同以英语（程序设计语言）写作的文章，要让一个懂得英语的人（编译器）同时也会阅读这篇文章的人（结构体系）来阅读、理解、标记这篇文章。一般的，以英语文本为基础的计算机程序要经过编译、链接而成为人难以解读，但可轻易被计算机所解读的数字格式，然后放入运行。程序是一个指令序列。 程序的运行： 为了使计算机程序得以运行，计算机需要加载代码，同时也要加载数据。从计算机的底层来说，这是由高级语言（例如Java，C/C++，C#等）代码转译成机器语言而被CPU所理解，进行加载。 如果您在一个符合大多数的计算机上，操作系统例如Windows、Linux等，加载并执行很多的程序，在这种情况下，每一个程序是一个单独的映射，并不是计算机上的所有可执行程序。 它是指为了得到某种结果而可以由计算机等具有信息处理能力的装置执行的代码化指令序列，或者可以被自动转换成代码化指令序列的符号化指令序列或者符号化语句序列。同一计算机程序的源程序和目标程序为同一作品。 普林斯顿结构： 普林斯顿结构又做冯·诺伊曼结构，在一台基于最常见的普林斯顿结构的计算机上，程序通常是通过外存来加载到计算机之内。如果基于这种结构的计算机之上没有程序作为支撑，通常无法工作。所有程序都基于机器语言运行，机器语言是一个以二进制数字（0和1）构成的语言。 一般的，程序是由高级语言编写，然后在编译的过程中，被编译器/解释器转译为机器语言，从而得以执行。 指令 指令：计算机从事某一特殊运算的代码。如：数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令。 计算机程序发给计算机处理器的命令就是“指令（instruction）”。最低级的指令是一串0和1，表示一项实体作业操作要运行（如“Add”）。根据指令类型，某个具体的存储领域被称作“寄存器（register）”，里面包含了可用于调出指令的数据或数据存储位置。计算机的汇编语言（assembler）中，每种语言一般只响应单一的处理器指令。而高级语言的每种语言经过程序编辑后能响应多个处理器指令。在汇编语言中，宏指令（macro instruction）在汇编程序处理过程中会扩展为多个指令（以编码过的源宏定义为基础）。 组成形式： 指令是指示计算机执行某种操作的命令。它由一串二进制数码组成。 一条指令通常由两个部分组成：操作码+地址码。 操作码：指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。 地址码：指明操作对象的内容或所在的存储单元地址。 数据 数据：数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。数据结构往往同高效的检索算法和索引技术有关。 数据结构的重要意义： 一般认为，一个数据结构是由数据元素依据某种逻辑联系组织起来的。对数据元素间逻辑关系的描述称为数据的逻辑结构；数据必须在计算机内存储，数据的存储结构是数据结构的实现形式，是其在计算机内的表示；此外讨论一个数据结构必须同时讨论在该类数据上执行的运算才有意义。一个逻辑数据结构可以有多种存储结构，且各种存储结构影响数据处理的效率。 在许多类型的程序的设计中，数据结构的选择是一个基本的设计考虑因素。许多大型系统的构造经验表明，系统实现的困难程度和系统构造的质量都严重的依赖于是否选择了最优的数据结构。许多时候，确定了数据结构后，算法就容易得到了。有些时候事情也会反过来，我们根据特定算法来选择数据结构与之适应。不论哪种情况，选择合适的数据结构都是非常重要的。 选择了数据结构，算法也随之确定，是数据而不是算法是系统构造的关键因素。这种洞见导致了许多种软件设计方法和程序设计语言的出现，面向对象的程序设计语言就是其中之一。 结构算法： 算法的设计取决于数据（逻辑）结构，而算法的实现依赖于采用的存储结构。数据的存储结构实质上是它的逻辑结构在计算机存储器中的实现，为了全面的反映一个数据的逻辑结构，它在存储器中的映象包括两方面内容，即数据元素之间的信息和数据元素之间的关系。不同数据结构有其相应的若干运算。数据的运算是在数据的逻辑结构上定义的操作算法，如检索、插入、删除、更新和排序等。 数据的运算是数据结构的一个重要方面，讨论任一种数据结构时都离不开对该结构上的数据运算及其实现算法的讨论。 数据结构不同于数据类型，也不同于数据对象，它不仅要描述数据类型的数据对象，而且要描述数据对象各元素之间的相互关系。 数据类型是一个值的集合和定义在这个值集上的一组操作的总称。数据类型可分为两类：原子类型、结构类型。一方面，在程序设计语言中，每一个数据都属于某种数据类型。类型明显或隐含地规定了数据的取值范围、存储方式以及允许进行的运算。可以认为，数据类型是在程序设计中已经实现了的数据结构。另一方面，在程序设计过程中，当需要引入某种新的数据结构时，总是借助编程语言所提供的数据类型来描述数据的存储结构。 三、研究以下安全问题（要有实践），结合上面内容谈谈他们有什么共同点，如何抽象出统一的防范方法？(缓冲区溢出 XSS攻击 SQL注入攻击) 缓冲区溢出 计算机程序一般都会使用到一些内存，这些内存或是程序内部使用，或是存放用户的输入数据，这样的内存一般称作缓冲区。溢出是指盛放的东西超出容器容量而溢出来了，在计算机程序中，就是数据使用到了被分配内存空间之外的内存空间。而缓冲区溢出，简单的说就是计算机对接收的输入数据没有进行有效的检测（理想的情况是程序检查数据长度并不允许输入超过缓冲区长度的字符），向缓冲区内填充数据时超过了缓冲区本身的容量，而导致数据溢出到被分配空间之外的内存空间，使得溢出的数据覆盖了其他内存空间的数据。 通过往程序的缓冲区写超出其长度的内容，造成缓冲区的溢出，从而破坏程序的堆栈，造成程序崩溃或使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的。造成缓冲区溢出的原因是程序中没有仔细检查用户输入的参数。 XSS攻击 XSS攻击全称跨站脚本攻击，是一种在web应用中的计算机安全漏洞，它允许恶意web用户将代码植入到提供给其它用户使用的页面中。比如这些代码包括HTML代码和客户端脚本。攻击者利用XSS漏洞旁路掉访问控制——例如同源策略(same origin policy)。这种类型的漏洞由于被骇客用来编写危害性更大的网络钓鱼(Phishing)攻击而变得广为人知。对于跨站脚本攻击，骇客界共识是：跨站脚本攻击是新型的“缓冲区溢出攻击“，而JavaScript是新型的“ShellCode”。 SQL注入攻击 SQL注入攻击是黑客对数据库进行攻击的常用手段之一。随着B/S模式应用开发的发展，使用这种模式编写应用程序的程序员也越来越多。但是由于程序员的水平及经验也参差不齐，相当大一部分程序员在编写代码的时候，没有对用户输入数据的合法性进行判断，使应用程序存在安全隐患。用户可以提交一段数据库查询代码，根据程序返回的结果，获得某些他想得知的数据，这就是所谓的SQL Injection，即SQL注入。 (1)SQL语言 结构化查询语言(Structured Query Language)简称SQL：是一种特殊目的的编程语言，是一种数据库查询和程序设计语言，用于存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统；同时也是数据库脚本文件的扩展名。(2) SQL注入
SQL注入能使攻击者绕过认证机制，完全控制远程服务器上的数据库。SQL是结构化查询语言的简称，它是访问数据库的事实标准。目前，大多数Web应用都使用SQL数据库来存放应用程序的数据。几乎所有的Web应用在后台都使用某种SQL数据库。跟大多数语言一样，SQL语法允许数据库命令和用户数据混杂在一起的。如果开发人员不细心的话，用户数据就有可能被解释成命令，这样的话，远程用户就不仅能向Web应用输入数据，而且还可以在数据库上执行任意命令了。 SQL注入技术是利用web应用程序和数据库服务器之间的接口来篡改网站内容的攻击技术。通过把SQL命令插入到Web表单提交框、输入域名框或页面请求框中，最终欺骗服务器执行恶意的SQL命令。 (3)SQL注入危害 非法读取、篡改、添加、删除数据库中的数据。 盗取用户的各类敏感信息，获取利益。 通过修改数据库来修改网页上的内容。 私自添加或删除账号。 注入木马等等。(4) SQL注入攻击的过程及原理
SQL注入攻击是指攻击者通过在应用程序后台数据库的操作中插入一些恶意ＳＱＬ语句来达到操作数据库数据的目的。具体来讲就是，SQL注入攻击是攻击者利用Web应用程序，通过输入非法字符，来构造恶意的SQL语句，最终将恶意的SQL语句注入到应用的后台数据库服务器中。数据库服务器执行这些恶意SQL语句后，不会按照数据库数据表设计者的意图去执行某些操作，而是进行一些非法的操作，进而造成数据库数据的丢失，损坏等后果。这种注入攻击方式困扰着众多Ｗｅｂ应用。 (5)SQL注入攻击的手段 没有正确过滤转义字符 应用系统的使用者输入内容，在没有经过前端验证，字符串过滤的情况下，就会发生SQL注入攻击。非法的输入传递给后台的SQL语句，SQL语句最终在数据库中执行非法的操作。 Incorrect type handling 由于Ｗｅｂ应用使用者所输入的参数，在传递过程中并不是强类型，也没有实施必要的类型转换，那么就会发生Incorrect type handling这种情况。比如，应用编码者对用户输入的内容并没有进行合法性检验，原本应该输入数字，但是编码者并未进行类型检验。 数据库自身的漏洞 某些数据库由于自身设计以及实现的漏洞，就会导致攻击者利用这些漏洞对数据库服务器进行攻击。SQLsever有些漏洞会导致攻击者能够越过访问权限，执行越权的操作，这样对数据库的危害也是极大的。因此应该及时修补数据库漏洞。 盲目SQL注入式攻击 如果应用系统对于承受的SQL注入攻击没有察觉，没有对攻击者进行有效的防范，就会发生盲目的SQL注入攻击。存在SQL注入攻击点的网页可能不会给攻击者展示有用的信息，它会根据注入攻击者注入到合法语句中的不同逻辑，进而显示不同的网页内容，这种攻击手段非常的耗费精力，需要攻击者不断的精心构造注入语句，一旦发现注入点和注入目标就可以很顺利的获取想要的信息。 条件响应 目前这种SQL注入攻击方式能够在应用程序的网页中进行逻辑计算。 条件性差错 通过构造逻辑错误来判断应用程序是否具有注入点。总结归纳出该应用所使用的数据库的类型，数据库中包含的一些数据表名，字段名等，这样就可以为接下来注入点的寻找提供帮助。 时间延误 通过构造SQL注入语句，使得数据库判断逻辑时间变长，通过判断应用页面的加载时间来判断构造的ＳＱＬ注入语句是否正确。 SQL注入攻击防范 (1)在设计应用程序时，完全使用参数化查询（Parameterized Query）来设计数据访问功能。 (2)在组合SQL字符串时，先针对所传入的参数作字元取代（将单引号字元取代为连续2个单引号字元）。 (3)如果使用PHP开发网页程序的话，亦可打开PHP的魔术引号（Magic quote）功能（自动将所有的网页传入参数，将单引号字元取代为连续2个单引号字元）。 (4)其他，使用其他更安全的方式连接SQL数据库。例如已修正过SQL注入问题的数据库连接组件，例如ASP.NET的SqlDataSource对象或是 LINQ to SQL。 (5)使用SQL防注入系统。 共同点 由上面的分析，可以发现共同点，它们都是利用了漏洞，将恶意代码通过某种方式注入了目标，然后执行恶意代码达到攻击的目的。因此防范的方法，应该在于，如何防止这些代码被注入，应该有一个更安全的检查机制，杜绝这些代码的注入。比如对于XSS攻击，针对编译器可以引入缓冲区的边界保护机制，杜绝溢出的发生，也就杜绝了恶意代码的注入。比如XSS攻击，对于用户的输入检查，过滤掉可能的脚本代码，对于SQL，同样增强过滤掉可能的SQL语法。 统一的防范方法是加入一个检查过滤机制，杜绝对于可能发生代码注入情况的发生。