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Percona 版本的 MySQL 對於 Meltdown/Spectre 漏洞修復造成的效能損失 (Intel 平台)

而且這還不是完全修復,只是大幅降低被攻擊的機率...

PerconaUbuntu 16.04 上測試 MeltdownSpectre 這兩個安全漏洞的修正對於效能的影響。在原文標題就講了結論,為了修正 Meltdown 與 Spectre 兩個安全漏洞,效能的損失很明顯:「20-30% Performance Hit from the Spectre Bug Fix on Ubuntu」。

這邊測的結果發現,在 CPU bound 時的損失大約是 20%~25% (甚至到 30%),而 I/O bound 會輕一些,大約是 15%~20%:

We can see that in CPU-bound workloads the overhead is 20-25%, reaching up to 30% in point select queries. In IO-bound (25G buffer pool) workloads, the observed overhead is 15-20%.

在 comment 的地方 Percona 的人被問到 AMD 平台上效能會損失多少的問題,但因為他們手上目前沒有 AMD 平台的新機器所以不知道會有多少:

I do not have modern AMD servers on my hands right now

理論上 AMD 平台不需要處理 Meltdown 問題,損失應該會少一些,但沒測過也不曉得會是什麼情況... (像是 Spectre 的修正損失會不會比 Intel 還重,這之類的...)

另外補上早些時候的文章,當時 Ubuntu 上的 kernel 只有對 Meltdown 攻擊的修正,當時 Percona 的人也測了一次:「Does the Meltdown Fix Affect Performance for MySQL on Bare Metal?」,看起來對 Meltdown 攻擊的修正對效能的影響不太大,不過文裡有測試到 syscall 的效率的確如同預期掉很多。

FreeBSD 上的 ccp (AMD Crypto Co-Processor)

看到 FreeBSD 上的「[base] Revision 328150」,將 AMD 的 AMD Crypto Co-Processor。

然後實測效能頗爛 XDDD 不過本來就不是以效能為主吧... 應該是以安全性與 Trusted Platform Module 考量?

像是 4KB buffer 的效能明顯比 AES-NI 慢了一大截 (少了一個零 XDDD):

aesni:      SHA1: ~8300 Mb/s    SHA256: ~8000 Mb/s
ccp:               ~630 Mb/s    SHA256:  ~660 Mb/s  SHA512:  ~700 Mb/s
cryptosoft:       ~1800 Mb/s    SHA256: ~1800 Mb/s  SHA512: ~2700 Mb/s

如果是 128KB buffer 時會好一些:

aesni:      SHA1:~10400 Mb/s    SHA256: ~9950 Mb/s
ccp:              ~2200 Mb/s    SHA256: ~2600 Mb/s  SHA512: ~3800 Mb/s
cryptosoft:       ~1750 Mb/s    SHA256: ~1800 Mb/s  SHA512: ~2700 Mb/s

然後 AES 也類似:

aesni:      4kB: ~11250 Mb/s    128kB: ~11250 Mb/s
ccp:               ~350 Mb/s    128kB:  ~4600 Mb/s
cryptosoft:       ~1750 Mb/s    128kB:  ~1700 Mb/s

所以是 sponsor 有認證需要的關係嗎...

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Intel CPU + AMD GPU 合一的的系統

先前就有看到 Intel 要與 AMD 合作,將 Intel CPU + AMD GPU 整合在一起以對抗 Nvidia,現在看到 HP 推出對應的筆電了:「HP’s new 15-inch Spectre x360 uses the hybrid Intel/AMD processor」。

不過名字剛好跟最近的安全漏洞撞到了 XDDD (所以才想寫 XDDD)

The new Spectre x360 15 is one of the first systems to be announced that uses the new Kaby Lake-G processors from Intel. These processors combine an Intel CPU (with its own integrated GPU) with an AMD GPU, all within a single package.


出自「Kaby Lake-G unveiled: Intel CPU, AMD GPU, Nvidia-beating performance」。

這種合作的仗打不打的動呢... 不怎麼看好就是了 :o

讀書時間:Meltdown 的攻擊方式

Meltdown 的論文可以在「Meltdown (PDF)」這邊看到。這個漏洞在 Intel 的 CPU 上影響最大,而在 AMD 是不受影響的。其他平台有零星的消息,不過不像 Intel 是這十五年來所有的 CPU 都中獎... (從 Pentium 4 以及之後的所有 CPU)

Meltdown 是基於這些前提,而達到記憶體任意位置的 memory dump:

  • 支援 µOP 方式的 out-of-order execution 以及當失敗時的 rollback 機制。
  • 因為 cache 機制造成的 side channel information leak。
  • 在 out-of-order execution 時對記憶體存取的 permission check 失效。

out-of-order execution 在大學時的計算機組織應該都會提到,不過我印象中當時只講「在確認不相干的指令才會有 out-of-order」。而現代 CPU 做的更深入,包括了兩個部份:

  • 第一個是 µOP 方式,將每個 assembly 拆成更細的 micro-operation,後面的 out-of-order execution 是對 µOP 做。
  • 第二個是可以先執行下去,如果發現搞錯了再 rollback。

像是下面的 access() 理論上不應該被執行到,但現代的 out-of-order execution 會讓 CPU 有機會先跑後面的指令,最後發現不該被執行到後,再將 register 與 memory 的資料 rollback 回來:

而 Meltdown 把後面不應該執行到 code 放上這段程式碼 (這是 Intel syntax assembly):

其中 mov al, byte [rcx] 應該要做記憶體檢查,確認使用者是否有權限存取那個位置。但這邊因為連記憶體檢查也拆成 µOP 平行跑,而產生 race condition:

Meltdown is some form of race condition between the fetch of a memory address and the corresponding permission check for this address.

而這導致後面這段不該被執行到的程式碼會先讀到資料放進 al register 裡。然後再去存取某個記憶體位置造成某塊記憶體位置被讀到 cache 裡。

造成 cache 內的資料改變後,就可以透過 FLUSH+RELOAD 技巧 (side channel) 而得知這段程式碼讀了哪一塊資料 (參考之前寫的「Meltdown 與 Spectre 都有用到的 FLUSH+RELOAD」),於是就能夠推出 al 的值...

而 Meltdown 在 mov al, byte [rcx] 這邊之所以可以成立,另外一個需要突破的地方是 [rcx]。這邊 [rcx] 存取時就算沒有權限檢查,在 virtual address 轉成 physical address 時應該會遇到問題?

原因是 LinuxOS X 上有 direct-physical map 的機制,會把整塊 physical memory 對應到 virtual memory 的固定位置上,這些位置不會再發給 user space 使用,所以是通的:

On Linux and OS X, this is done via a direct-physical map, i.e., the entire physical memory is directly mapped to a pre-defined virtual address (cf. Figure 2).

而在 Windows 上則是比較複雜,但大部分的 physical memory 都有對應到 kernel address space,而每個 process 裡面也都還是有完整的 kernel address space (只是受到權限控制),所以 Meltdown 的攻擊仍然有效:

Instead of a direct-physical map, Windows maintains a multiple so-called paged pools, non-paged pools, and the system cache. These pools are virtual memory regions in the kernel address space mapping physical pages to virtual addresses which are either required to remain in the memory (non-paged pool) or can be removed from the memory because a copy is already stored on the disk (paged pool). The system cache further contains mappings of all file-backed pages. Combined, these memory pools will typically map a large fraction of the physical memory into the kernel address space of every process.

這也是 workaround patch「Kernel page-table isolation」的原理 (看名字大概就知道方向了),藉由將 kernel 與 user 的區塊拆開來打掉 Meltdown 的攻擊途徑。

而 AMD 的硬體則是因為 mov al, byte [rcx] 這邊權限的檢查並沒有放進 out-of-order execution,所以就避開了 Meltdown 攻擊中很重要的一環。

Spectre 與 Meltdown 兩套 CPU 的安全漏洞

The Register 發表了「Kernel-memory-leaking Intel processor design flaw forces Linux, Windows redesign」這篇文章,算是頗完整的說明了這次的安全漏洞 (以 IT 新聞媒體標準來看),引用了蠻多資料並且試著說明問題。

而這也使得整個事情迅速發展與擴散超出本來的預期,使得 GoogleProject Zero 提前公開發表了 Spectre 與 Meltdown 這兩套 CPU 安全漏洞。文章非常的長,描述的也比 The Register 那篇還完整:「Reading privileged memory with a side-channel」。

在 Google Project Zero 的文章裡面,把這些漏洞分成三類,剛好依據 CVE 編號分開描述:

  • Variant 1: bounds check bypass (CVE-2017-5753)
  • Variant 2: branch target injection (CVE-2017-5715)
  • Variant 3: rogue data cache load (CVE-2017-5754)

前兩個被稱作 Spectre,由 Google Project Zero、Cyberus Technology 以及 Graz University of Technology 三個團隊獨立發現並且回報原廠。後面這個稱作 Meltdown,由 Google Project Zero 與另外一個團隊獨立發現並且回報原廠。

這兩套 CPU 的安全漏洞都有「官網」,網址不一樣但內容一樣:spectreattack.commeltdownattack.com

影響範圍包括 IntelAMD 以及 ARM,其中 AMD 因為架構不一樣,只有在特定的情況下會中獎 (在使用者自己打開 eBPF JIT 後才會中):

(提到 Variant 1 的情況) If the kernel's BPF JIT is enabled (non-default configuration), it also works on the AMD PRO CPU.

這次的洞主要試著透過 side channel 資訊讀取記憶體內容 (會有一些條件限制),而痛點在於修正 Meltdown 的方式會有極大的 CPU 效能損失,在 Linux 上對 Meltdown 的修正的資訊可以參考「KAISER: hiding the kernel from user space」這篇,裡面提到:

KAISER will affect performance for anything that does system calls or interrupts: everything. Just the new instructions (CR3 manipulation) add a few hundred cycles to a syscall or interrupt. Most workloads that we have run show single-digit regressions. 5% is a good round number for what is typical. The worst we have seen is a roughly 30% regression on a loopback networking test that did a ton of syscalls and context switches.

KAISER 後來改名為 KPTI,查資料的時候可以注意一下。

不過上面提到的是實體機器,在 VM 裡面可以預期會有更多 syscall 與 context switch,於是 Phoronix 測試後發現在 VM 裡效能的損失比實體機器大很多 (還是跟應用有關,主要看應用會產生多少 syscall 與 context switch):「VM Performance Showing Mixed Impact With Linux 4.15 KPTI Patches」。

With these VM results so far it's still a far cry from the "30%" performance hit that's been hyped up by some of the Windows publications, etc. It's still highly dependent upon the particular workload and system how much performance may be potentially lost when enabling page table isolation within the kernel.

這對各家 cloud service 不是什麼好消息,如果效能損失這麼大,不太可能直接硬上 KPTI patch... 尤其是 VPS,對於平常就會 oversubscription 的前提下,KPTI 不像是可行的方案。

可以看到各 VPS 都已經發 PR 公告了 (先發個 PR 稿說我們有在注意,但都還沒有提出解法):「CPU Vulnerabilities: Meltdown & Spectre (Linode)」、「A Message About Intel Security Findings (DigitalOcean)」、「Intel CPU Vulnerability Alert (Vultr)」。

現在可以預期會有更多人投入研究,要怎麼樣用比較少的 performance penalty 來抵抗這兩套漏洞,現在也只能先等了...

hashcat v3.00

hashcat 是個用暴力法拿來計算各種 reverse hash 的的工具,也就是對於 HASH(key) = value 時,給 value 的值,要求得出 key 的值 (被稱為 Preimage attack)。

雖然是暴力法,但還是花了很多力氣加速,尤其在這個 GPU 已經很常見的年代,這套軟體也支援透過 GPU 加速運算。

先前的版本是 CPU 與 GPU 分開兩個版本可以用 (CPU 版本的叫 hashcat,GPU 版本的叫做 oclHashcat),而 GPU 的版本只支援 nVidiaAMD 兩家大廠的顯卡。

而在 v3.00 版,透過 OpenCL 的界面將這些全部都合而為一了:「hashcat v3.00」,所以不只是支援 CPU 與 nVidia + AMD 的 GPU,還包括了:

  • GPU
  • CPU
  • APU
  • DSP
  • FPGA
  • Coprocessor
  • Anything else which comes with an OpenCL runtime

也特別提到,Intel CPU 上內建的 GPU 部份也可以拿來用了:

For example, Intel CPUs will now instantly pop up as an available OpenCL device after you've installed the Intel OpenCL runtime.

也因為透過 OpenCL,如果有多種不同類型的加速方式,新版 hashcat 也可以同時使用。

另外這次效能評估 (與舊版比較) 也做出來了:「hashcat 2.01 / 3.00 performance comparison」,可以看到比較新一點的卡整體都有進步,而舊的卡有可能是對 OpenCL 的最佳化或是 overhead 比較敏感,慢了不少...

Google 發表了三個 Hash 演算法的實作

Google 發表了三個 Hash 演算法的實作:「New algorithms may lower the cost of secure computing」。

第一個是 SipHash 的加速實作,透過 AVX-2 指令集加速,看維基百科的資料,2011 後的 Intel/AMD CPU 似乎都有提供這組指令集:

Our first hash function produces the same output as SipHash, but 1.5 times as quickly thanks to AVX-2 instructions.

第二個是 SipHash 的改良版,但輸出不同 (所以不是 SipHash),但速度比 SipHash 更快:

The second improvement uses j-lanes tree hashing to process multiple inputs in parallel, which is 3 times as fast. This technique is known to be secure, but produces different output than the original SipHash and is slightly slower for short inputs.

第三個則是新的 Hash,速度比前兩者又更快了,但還需要有更多人分析才能確認安全性:

HighwayHash is based on a new way of mixing inputs with just a few AVX-2 multiply and permute instructions. We are hopeful that the result is a cryptographically strong pseudorandom function, but new cryptanalysis methods might be needed for analyzing this promising family of hash functions. HighwayHash is significantly faster than SipHash for all measured input sizes, with about 7 times higher throughput at 1 KiB.

三者的程式碼都可以在 GitHub 上的「google/highwayhash」找到,看 LICENSE 檔案是 Apache License 2.0

Oculus 的創辦人根本就是在抱怨 Mac 太慢了 XDDD

Oculus 的創辦人 Palmer Luckey 說明為什麼在 Mac 上沒有 Rift 可以用:「Oculus Founder: Rift will come to Mac if Apple “ever releases a good computer”」。

回應其實頗委婉:

[,] according to Oculus co-founder Palmer Luckey, it "is up to Apple" to change that state of affairs. Specifically, "if they ever release a good computer, we will do it," he told Shacknews recently.

但實際上就是在抱怨 Mac 太慢了 XDDD

"It just boils down to the fact that Apple doesn’t prioritize high-end GPUs," he said. "You can buy a $6,000 Mac Pro with the top-of-the-line AMD FirePro D700, and it still doesn’t match our recommended specs."

看起來 VR 會再促進硬體進步...

在瀏覽器上面用 JavaScript 進行 Side-channel attack

用 JavaScript 就可以攻擊 L3 cache,進而取得資料:「JavaScript CPU cache snooper tells crooks EVERYTHING you do online」。

論文出自「The Spy in the Sandbox – Practical Cache Attacks in Javascript」(PDF) 這篇。

不需要任何外掛或 exploit,就純粹是利用 cache 反應時間的 side-channel attack。另外由於 AMD 的 cache 架構不同,這次的攻擊實作僅對 Intel 有效:

The Intel cache micro-architecture isinclusive– all elements in the L1 cache must also exist in the L2 and L3 caches. Conversely, if a memory element is evicted fromthe L3 cache, it is also immediately evicted from the L2 and L1 cache. It should be noted that the AMD cachemicro-architecture is exclusive, and thus the attacks described in this report are not immediately applicable tothat platform.

這次的攻擊方法真變態...

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