Песочница в Windows

Песочница — это новый легковесный инструмент в ОС Windows, позволяющий запускать приложения в безопасном изолированном окружении.

Случалось ли Вам оказаться в ситуации, когда необходимо запустить какую-то программу, но Вы не совсем уверены в источнике её происхождения? Или другой пример — необходимость проверить что-то на «чистой» версии Windows. Во всех подобных случаях раньше был только один выход — установить ОС на отдельную физическую или виртуальную машину и провести нужный эксперимент. Но это больше не так.

Microsoft разработал новый механизм под названием Песочница (eng. Windows Sandbox). Это изолированное временное окружение, в котором Вы можете запускать подозрительное программное обеспечение без риска навредить своему ПК. Любое ПО, установленное в Песочнице, остаётся только в Песочнице и не может взаимодействовать с основной ОС. Как только Вы закрываете Песочницу — всё её содержимое безвозвратно уничтожается.

Вот основные особенности Песочницы:

Это часть ОС Windows. Если у Вас Windows 10 Pro или Enterprise, то Вы уже можете начать ею пользоваться.
С чистого листа. При каждом запуске Песочницы Вы получаете одно и то же, чистое, неизменное окружение. В точности такое, какой была Ваша ОС сразу после её установки.
Никаких следов. При закрытии Песочницы уничтожаются все установленные в ней приложения, все созданные там файлы. Закрыли Песочницу — не осталось никаких следов её существования.
Безопасность. Используется аппаратная виртуализация, которая использует гипервизор для запуска отдельного ядра ОС и изолирует его от Вашей основной ОС
Эффективность. Используется интегрированный планировщик задач, умное управление памятью, виртуальный GPU.

Системные требования

Windows 10 Pro или Enterprise, билд 18305 или выше
Архитектура AMD64
Включенная в BIOS виртуализация
Минимум 4 ГБ (рекомендовано 8 ГБ) оперативной памяти
Минимум 1 ГБ свободного места на диске (рекомендуется SSD)
Процессор с двумя ядрами (рекомендуется 4 с поддержкой hyper-threading)

Быстрый старт

1. Установите Windows 10 Pro или Enterprise, билд 18305 или выше

2. Включите виртуализацию:

Если Вы работаете на физической машине — сделайте это в BIOS
Если Вы работаете на виртуальной машине — используйте следующую PowerShell команду:

Set-VMProcessor -VMName <VMName> -ExposeVirtualizationExtensions $true

3. Откройте (через Панель Управления) список установленных компонентов Windows и включите в нём Песочницу. Нажмите ОК. Если увидите запрос на перезагрузку компьютера — подтвердите его.

4. Запустите Песочницу из меню Пуск. Разрешите повышение прав для её процесса.

5. Скопируйте (через буфер обмена) в Песочницу бинарник, который хотите запустить.

6. Запустите бинарник в Песочнице. Если это инсталлятор — пройдите процедуру установки и запустите установленное приложение.

7. Используйте приложение по назначению.

8. Когда закончите — просто закройте Песочницу. Всё её содержимой будет удалено.

9. Опционально — можете убедиться, что в Вашей основной ОС ничего не изменилось.

Что под капотом у Песочницы

Песочница Windows построена на технологии, которая называется Windows Containers. Контейнеры разрабатывались (и давно используются) для работы в облаке. Microsoft взял уже достаточно зрелую и протестированную технологию и доработал её для пользователей десктопной Windows.

Среди ключевых адаптаций можно отметить:

Динамически генерируемый образ

Песочница является хотя и легковесной, но всё же виртуальной машиной. И, как любой виртуальной машине, ей требуется образ, с которого она может загрузится. Важнейшей особенностью Песочницы является то, что Вам не нужно откуда-то качать или создавать этот образ. Он создастся на лету, из файлов вашей текущей ОС Windows.

Мы хотим всегда получить одно и то же «чистое» окружение для Песочницы. Но есть проблема: некоторые системные файлы могут меняться. Решением было создание «динамически генерируемого образа»: для изменённых файлов в него будут включаться их оригинальные версии, но вот неизменные файлы физически в этот образ входить не будут. Вместо них будут использоваться ссылки на реальные файлы на диске. Как показала практика — такими ссылками будут большинство файлов в образе. Лишь малая их часть (около 100 МБ) войдут в образ полностью — это и будет его размер. Более того, когда Вы не используете Песочницу, эти файлы хранятся в сжатом виде и занимают около 25 МБ. При запуске Песочницы они разворачиваются в тот самый «динамический образ» размером около 100 МБ.

Умное управление памятью

Управление памятью для Песочницы — ещё одно важное усовершенствование. Гипервизор позволяет запускать на одной физической машине несколько виртуальных и это, в общем, неплохо работает на серверах. Но, в отличии от серверов, ресурсы обычных пользовательских машин значительно более ограничены. Для достижения приемлемого уровня производительности Microsoft разработал специальный режим работы памяти, при котором основная ОС и Песочница могут с некоторых случаях использовать одни и те же страницы памяти.

В самом деле: поскольку основная ОС и Песочница запускают один и тот же образ ОС, то большинство системных файлах в них будут одни и те же, а значит нет смысла дважды загружать в память одинаковые библиотеки. Можно сделать это один раз в основной ОС, а когда тот же файл понадобится в памяти Песочнице — ей можно дать ссылку на ту же страницу. Конечно, требуются некоторые дополнительные меры для обеспечения безопасности подобного подхода, но Microsoft позаботилась об этом.

Интегрированный планировщик

В случае использования обычных виртуальных машин гипервизор контролирует работу виртуальных процессоров, работающих в них. Для Песочницы была разработана новая технология, которая называется «интегрированный планировщик», которая позволяет основной ОС решать когда и сколько ресурсов выделить Песочнице. Работает это так: виртуальный процессоры Песочницы работают как потоки внутри процесса Песочницы. В итоге они имеют те же «права», что и остальные потоки в вашей основной ОС. Если, к примеру, у вас работают какие-то высокоприоритетные потоки, то Песочница не будет отнимать у них много времени для выполнения своих задач, которые имеют нормальный приоритет. Это позволит пользоваться Песочницей, не замедляя работу критически важных приложений и сохраняя достаточную отзывчивость UI основной ОС, аналогично тому, как работает Linux KVM.

Главной задачей было сделать Песочницу с одной стороны просто обычным приложением, а с другой — дать гарантию её изоляции на уровне классических виртуальных машин.

Использование «снимков»

Как уже говорилось выше, Песочница использует гипервизор. Мы по сути запускаем одну копию Windows внутри другой. А это означает, что для её загрузки понадобится какое-то время. Мы можем тратить его при каждом запуске Песочницы, либо сделать это лишь раз, сохранив после загрузки всё состояние виртуальной ОС (изменившиеся файлы, память, регистры процессора) на диске. После этого мы сможем запускать Песочницу из данного снимка, экономя при этом время её старта.

Виртуализация графики

Аппаратная виртуализация графики — это ключ к плавному и быстрому пользовательскому интерфейсу, особенно для «тяжелых» в плане графики приложений. Однако, классические виртуальные машины изначально ограничены в возможностях напрямую использовать все ресурсы GPU. И здесь важную роль выполняют средства виртуализации графики, которые позволяют преодолеть данную проблему и в какой-то форме использовать аппаратную акселерацию в виртуальном окружении. Примером такой технологии может быть, например, Microsoft RemoteFX.

Кроме того, Microsoft активно работала с производителями графических систем и драйверов для того, чтобы интегрировать возможности виртуализации графики непосредственно в DirectX и WDDM (модель драйверов в ОС Windows).

В результате графика в Песочнице работает следующим образом:

Приложение в Песочнице использует графические функции обычным образом, не зная кто и как будет их выполнять
Графическая подсистема Песочницы, получив команды отрисовки графики, передаёт их основной ОС
Основная ОС, получив команды отрисовки графики, воспринимает их так, как будто они пришли от локально запущенного приложения и соответствующим образом выполняет их, выделяя и управляя необходимыми ресурсами.

Это процесс можно изобразить так:

Это позволяет виртуальному окружению получать полноценный доступ к аппаратно акселерируемой графике, что даёт как прирост производительности, так и экономию некоторых ресурсов (например, заряда батареи для ноутбуков) в следствие того, что для отрисовки графики больше не используются тяжелые расчёты на CPU.

Использование батареи

Песочница имеет доступ к информации о заряде батареи и может оптимизировать свою работу для его экономии.

Отзывы и сообщения о проблемах

В любой новой технологии могут быть баги. Microsoft просит присылать сообщения о них и предложения новых фич через Feedback Hub.