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Intel 最新的 Ice Lake 系列對 AES 的加速

Twitter 上看到這篇,講 Intel 推出新的指令集,對 AES 的加速效果:

進去看以後發現是講四月推出的 Ice Lake,在上面新增的 VPCLMULQDQ 指令對效能的幫助:

The introduction of the processor instructions AES-NI and VPCLMULQDQ, that are designed for speeding up encryption, and their continual performance improvements through processor generations, has significantly reduced the costs of encryption overheads.

而他們發表出來的數據說 AES-GCM 的效率直接從 ~23 cycles/byte 降到 0.64 cycles/byte,大約是 35 倍的改進?

More and more applications and platforms encrypt all of their data and traffic. As an example, we note the world wide proliferation of the use of AES-GCM, with performance dropping down to 0.64 cycles per byte (from ~23 before the instructions), on the latest Intel processors.

就算不是 AES-GCM,而是其他的 AES 相關演算法,也是三倍以上的改善:

這效能差異...

Cloudflare 用 ARM 當伺服器的進展...

Twitter 上看到 Matthew Prince (Cloudflare 的創辦人與現任 CEO) 提到了目前的進展,貼出一張兩者用電量的差距 (235W 與 150W):

兩者差了 85W,如果以五年來算就差了 3723 度的電,另外再考慮 PUE 與機櫃空間租用的成本,長期應該是頗有機會換掉原來的 x86 系統。反過來看,短期有轉換測試成本以及 (可能會有的) 較高的故障率 (畢竟是白老鼠 XD),再來是機器本身價錢差距,這些都是會想要知道的...

在 tweet 後 Matthew Prince 有回答一些問題,另外可以看到後續會有更多細節會整理出來,但感覺應該是調整的差不多決定會換過去了?這邊算是延續去年十一月「Cloudflare 測試 ARM 新的伺服器」這篇所做的事情,當時他們拿到 ARM 的工程板在測試,就已經跟 Xeon 打的差不多 (有輸有贏),現在應該又改善更多...

看 retweet 數可以看出來大家還滿期待的,畢竟 ARM 上面的 Linux 本來就因為行動裝置很熱,現在主要還是差在有沒有穩定的伺服器可以用。

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。

在 ThinkPad T530 上跑 FreeBSD 的介紹

作者在「FreeBSD on a Laptop」這邊寫下了在 ThinkPad T530 上跑 FreeBSD 的完整攻略。

查了一下 ThinkPad T530,這應該是 2012 年就推出的筆電了 (五年多前),所以文章的重點在於要去那邊找解法 (i.e. 方向性)。另外作者有提到文章是假設你已經對 FreeBSD 生態算熟悉 (像是 Ports 以及 /etc 下設定檔習慣的格式與設定方式):

Unlike my usual posts, this time I'm going to assume you're already pretty familiar with FreeBSD.

然後有點無奈的地方... 即使是 2012 年的電腦,為了 driver 問題他還是得跑 -CURRENT

In my case, I run 12-CURRENT so I can take advantage of the latest Intel drivers in the graphics/drm-next-kmod port.

這有點苦 XD

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。

Intel CEO 做的真不錯 XDDD

在發生爆發前一個月把自家 Intel 的股票賣到最低限度 XDDD:「Intel was aware of the chip vulnerability when its CEO sold off $24 million in company stock」,引用的新聞是「Intel's CEO Just Sold a Lot of Stock」:

On Nov. 29, Brian Krzanich, the CEO of chip giant Intel (NASDAQ:INTC), reported several transactions in Intel stock in a Form 4 filing with the SEC.

所以十一月底的時候賣掉... 只保留 CEO 最低限額 250 張:

Those two transactions left Krzanich with exactly 250,000 shares -- the bare minimum that he's required to hold as CEO.

來看看獲利會不會被追回 XDDD

Linus (又) 不爽了... XD

看得出來 Linus 對於 Intel 的行為很不爽:「Re: Avoid speculative indirect calls in kernel」。

Please talk to management. Because I really see exactly two possibibilities:

 - Intel never intends to fix anything

OR

 - these workarounds should have a way to disable them.

Which of the two is it?

那個 possibibilities 應該是 typo,但不知道為什麼看起來很有味道 XDDD

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...

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