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內核頁表隔離

內核頁表隔離（Kernel page-table isolation，縮寫KPTI，也簡稱PTI，舊稱KAISER）是Linux內核中的一種強化（英語：Hardening (computing)）技術，旨在更好地隔離使用者空間與內核空間的主記憶體來提高安全性，緩解現代x86 CPU中的「熔毀（Meltdown）」硬件安全缺陷。[1][2]

前身

KPTI修補程式基於KAISER，它是一個用於緩解不太重要問題的早期修補程式，當時業界還未了解到Meltdown的存在。

如果沒有KPTI，每當執行使用者空間程式碼（應用程式）時，Linux會在其分頁表中保留整個內核主記憶體的對映，並保護其訪問。這樣做的優點是當應用程式向內核傳送系統呼叫或收到中斷時，內核頁表始終存在，可以避免絕大多數上下文交換相關的開銷（TLB重新整理、頁表交換等）。

2005年，Linux內核採用了地址空間組態隨機載入（KASLR）隱匿使用者空間中的相關內核地址，增加了利用其他內核漏洞的難度[3][4]。儘管阻止了對這些內核對映的訪問，但在此後發現，現有的英特爾x86處理器（截至2017年12月[5]）還存在着多處可能泄露這些主記憶體位置的旁路攻擊，可能繞過KASLR。[2][6][7][8]AMD稱其處理器不受這些攻擊的影響，所以不需要KPTI作為緩解措施。[9][10][11][12][9][10][11]

Meltdown漏洞與KPTI

2018年1月，影響Intel x86處理器的熔毀漏洞被公佈。KAISER修補程式改為修復此問題，並更名為KPTI，因為新型攻擊很類似，儘管更為嚴重。

實現

KPTI通過完全分離使用者空間與內核空間頁表來解決頁表泄露。支援處理程序上下文識別碼（PCID）特性的x86處理器可以用它來避免TLB重新整理，但即便如此，它依然有很高的效能成本。據KAISER原作者稱，其開銷為0.28%[2]；一名Linux開發者稱大多數工作負載下測得約為5%，但即便有PCID最佳化，在某些情況下開銷高達30%。[1]

KPTI在2018年早期被合併到Linux內核4.15版[13][14]，並被反向移植到Linux內核4.14.11。Windows[15]和macOS[16]也發佈了類似的更新。

使用內核啟動選項「pti=off」可以部分禁用內核頁表隔離。依規定也可對已修復漏洞的新款處理器禁用內核頁表隔離[13]。

參見

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 Corbet, Jonathan. KAISER: hiding the kernel from user space. LWN.net. 15 November 2017 [2018-01-03]. （原始內容存檔於2020-12-08）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Gruss, Daniel; Lipp, Moritz; Schwarz, Michael; Fellner, Richard; Maurice, Clémentine; Mangard, Stefan. KASLR is Dead: Long Live KASLR (PDF). Engineering Secure Software and Systems 2017. 24 June 2017 [2018-01-03]. （原始內容存檔 (PDF)於2018-06-28）. 
  3. ^ Dang, Alan. The NX Bit And ASLR - Behind Pwn2Own: Exclusive Interview With Charlie Miller. Tom's Hardware. 25 March 2009 [2017-12-29]. （原始內容存檔於2023-08-11） （英語）. 
  4. ^ Bhattacharjee, Abhishek; Lustig, Daniel. Architectural and Operating System Support for Virtual Memory. Morgan & Claypool Publishers. 29 September 2017: 56. ISBN 9781627059336 （英語）. 
  5. ^ 騰訊科技. 英特尔CPU爆惊天漏洞：全球PC面临最高30%“降速”. 財經網. 2018-01-03 [2018-01-03]. （原始內容存檔於2018-01-04） （中文（中國大陸））. 
  6. ^ Jang, Yeongjin; Lee, Sangho; Kim, Taesoo. Breaking Kernel Address Space Layout Randomization with Intel TSX (PDF). 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. CCS '16 (New York, NY, USA: ACM). 2016: 380–392 [2018-01-03]. ISBN 9781450341394. doi:10.1145/2976749.2978321. （原始內容存檔 (PDF)於2020-09-21）. 
  7. ^ Gruss, Daniel; Maurice, Clémentine; Fogh, Anders; Lipp, Moritz; Mangard, Stefan. Prefetch Side-Channel Attacks: Bypassing SMAP and Kernel ASLR (PDF). 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. CCS '16 (New York, NY, USA: ACM). 2016: 368–379 [2018-01-03]. ISBN 9781450341394. doi:10.1145/2976749.2978356. （原始內容存檔 (PDF)於2020-08-17）. 
  8. ^ Hund, R.; Willems, C.; Holz, T. Practical Timing Side Channel Attacks against Kernel Space ASLR (PDF). 2013 IEEE Symposium on Security and Privacy. May 2013: 191–205 [2018-01-03]. doi:10.1109/sp.2013.23. （原始內容存檔 (PDF)於2020-11-09）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Lendacky, Tom. Do not enable PTI on AMD processors. 26 December 2017 [2018-01-03]. （原始內容存檔於2020-11-09）. 
  10. ^ 10.0 10.1 Gleixner, Thomas. x86/cpu, x86/pti: Do not enable PTI on AMD processors. 3 January 2018 [2018-01-04]. （原始內容存檔於2020-06-28）. 
  11. ^ 11.0 11.1 An Update on AMD Processor Security. 4 January 2018 [2018-01-04]. （原始內容存檔於2018-03-17）. 
  12. ^ IT之家. AMD谈Intel芯片漏洞：我们没受影响. 鳳凰資訊. 2018-01-04 [2018-01-04]. （原始內容存檔於2018-01-05）. 
  13. ^ 13.0 13.1 Corbet, Jonathan. Kernel page-table isolation merged. LWN.net. 20 December 2017 [2018-01-03]. （原始內容存檔於2020-10-31）. 
  14. ^ Larabel, Michael. KAISER Getting Ready To Better Protect The Linux Kernel. Phoronix. 27 November 2017 [2018-01-03]. （原始內容存檔於2020-10-19）. 
  15. ^ Alex Ionescu [@aionescu]. Windows 17035 Kernel ASLR/VA Isolation In Practice (推文). 14 November 2017 –透過Twitter. 
  16. ^ Apple has already partially implemented fix in macOS for 'KPTI' Intel CPU security flaw. AppleInsider. [2018-01-03]. （原始內容存檔於2018-01-11） （美國英語）. 

外部連結

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