Kernel on 涯余的博客

io_uring 介绍

hang.yan@hotmail.com (涯余) — Fri, 27 Nov 2020 11:18:00 +0800

这几年内核带来了很多革命性的新特性。一个是 ebpf, 现在主要被广泛应用于网络处理，性能分析等领域。另一个是 io_uring, 带来了真正的全异步IO。本文将对 io_uring 做简要介绍。

总览

在 io_uring 之前，只有 aio 这个异步框架。为什么要重新弄一套，是因为 aio 自身限制比较多，比如:

只支持 direct_io.而O_DIRECT要求bypass缓存和size对齐等，直接影响了很多场景的使用。而对buffered IO，其表现为同步。
即使满足了所有异步IO的约束，有时候还是可能会被阻塞，例如，等待元数据IO，或者存储设备的请求槽位都正在使用等等。
存在额外的开销，每个IO提交需要拷贝64+8字节，每个IO完成需要拷贝32字节，这在某些场景下影响很可观。在使用完成event的时候需要非常小心，否则容易丢事件。IO总是需要至少2个系统调用（submit + wait-for-completion)，在spectre/meltdown开启下性能下降非常严重。

aio本身扩展性也很差，很多基于aio的开发也经常需要用dirty hack的方式来满足自己的需求。Linux 自己对它的评价也不好:

So I think this is ridiculously ugly.

AIO is a horrible ad-hoc design, with the main excuse being “other, less gifted people, made that design, and we are implementing it for compatibility because database people — who seldom have any shred of taste — actually use it”.

ARM指针的一些安全功能

hang.yan@hotmail.com (涯余) — Mon, 19 Oct 2020 13:12:59 +0800

伴随着 ARM 平台的越来越普及，Linux 内核对其的支持也逐渐丰富。而且 ARM 的设计也有很多独特的优点，本文将介绍在 ARM 平台关于指针操作的一些安全方面的设计。

Pointer Authentication

很多攻击都是通过骇客设计的不安全指针进行的。比如 buffer-overflow 和 return-oriented programming, 都是通过在返回地址放置一个指针来进行的。内核已经针对这个问题做了很多改善，ARM 提供了 pointer authentication 来检测和拒绝这种插入的非法指针。

简单来说，就是在指针上附加一个签名，要想使用一个指针，先得签名验证通过。如果是外部的攻击者，它没法伪造这种签名，那么自己就不能制造指针来进行攻击了。

目前一般指针都是64位，但一般都不是所有bit都是用了。ARM64的系统，如果是三级页表，那么只有低位的40bit用来存放地址，那么其他的bit就可以用来干其他事情。签名一般是通过以下几个参数确定:

pointer 本身
process context 里的一个 secret key, kernel生成这个肯定是攻击者无法获取到的
current stack pointer。防止签名过的pointer泄露被复用

使用的话，需要先重新计算一下签名，确保二者对的上，然后把签名部署的数据清理掉，这时候就是一个正常的指针了。不然的话，就认为其非法。

Memory Tagging

Memory Tagging的做法与Pointer Authentication类似，都是利用指针里未利用的 bits 去存储一些信息。Memory Tagging 是利用 4bit 的信息存储了一个 key, 同时在 pointer 指向的内存地址里也存储了同样的 key. 当对指针进行解引用操作时，需要对比 pointer 里的 key 与实际内存地址里的 key 是否一致。如果不一致将会报错。这个功能有以下用处：

被释放的内存可以修改其 key, 防止被二次引用
每个 stack frame 分配一个 key, 越界访问也会报错
野指针也能检测到
….

这些 keys 可以用应用层来管理，也可以用 CPU 来随机生成。当用应用层来管理的时候，可以提前检测出内存方便的 bug.

KARL, ASLR, KASLR

hang.yan@hotmail.com (涯余) — Tue, 27 Aug 2019 11:11:23 +0000

前段时间在零星地看一些关于 unikerel 的文章。里面提到的一些安全相关的技术非常有趣，就又开始转向 kernel 安全这部分。本文主要探讨的是 KARL, KASLR 以及 ASLR 相关的技术。

安全相关的实现技术很多，但想了想，大体的分类可以归为以下几类：

RWX 权限检查
随机化: 尽量不用确定性的内存地址
暴露最少的信息: 日志，输出里尽量不暴露相关信息

KARL, KASLR 以及 ASLR 都属于第二类。尽量让应用程序以及内核在内存中的地址随机化，这样攻击者就难以猜出相关的地址。

简单来讲， ASLR(Address-space layout randomization) 主要是指内存中用户层的地址随机化，KASLR 是指内存中内核的地址随机化，而 KARL(kernel adress randomized link)是指内核本身的地址随机化。ASLR出现的时间更早一些，更成熟一些。

注意有一个区别，三者中都有一个 L，但意义不一样。 ASLR/KASLR 中的 L 是指 layout，是说内存中的布局。你不可能要求大量的应用程序自己去考虑随机化，而是在应用程序无感知的情况下，由内核来选择一个随机的位置来运行应用程序。而 KARL 中的 L 是指 link ，是在链接阶段就做好了地址的随机化处理，这样就不需要再内存中在做了。

ASLR

ASLR 理解起来相对更为简单，本身不需要再重复介绍。

RNG

不管是 KARL / ASLR / KASLR，其核心都是一个随机的概念。明显它依赖于随机数的生成算法。当然随机程度越高越安全，但是又要考内核的性能。这个平衡很难掌握，选择哪个 RNG(random number generation) 也经过了很多讨论。

一开始用的是 get_random_int(),一个性能比较好但安全性不够好的方法，后来有人提出用 get_random_bytes(),安全性大大提高，但是性能下降也比较多。再后来 Linux 自己对get_random_int()做了一些改进, 增加了一些噪音进去，在不影响性能的情况下改进了随机性。这也是目前在用的方法。