LWN：地址空间隔离的两个patch！（重发）-优快云博客

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Two address-space-isolation patches get closer

By Jonathan Corbet
October 27, 2020
DeepL assisted translation
https://lwn.net/Articles/835342/

地址空间隔离（address-space isolation）是指从一个或多个地址空间中移除一段内存区域的技术，以此来防止对该内存的意外访问或恶意访问。自从 Meltdown 和 Spectre 漏洞披露以来，内核已经使用了地址空间隔离的一种措施，使用户空间进程完全无法访问内核内存，这就是一个地址空间隔离的例子。人们对在其他情况下使用类似的技术来保护内存，一直很有兴趣。又有两个实现了新的隔离机制的 patch 正在试图合入 mainline 内核中。

memfd_secret()

第一个是 Mike Rapoport 的 memfd_secret()补丁集，之前已经介绍过了(https://lwn.net/Articles/812325/)，所以我们这里仅仅再简单介绍一下，详细背景资料请看那篇文章。这项工作的目的是允许用户空间进程创建一个 "秘密 "的内存区域，这个区域尽可能除了此进程之外都无法访问。预期的使用场景包括用在加密函数库中，可以使用秘密区域来保存加密密钥，并保证它们不被窥探。

在最新版本的 patch 中，这个功能已经被移到了一个单独的系统调用中。

int memfd_secret(unsigned long flags);

函数的返回值是文件描述符，可供传递给 mmap()来 map 实际的内存区域。大多数情况下，这个内存看起来（对 map 的进程来说）就像其他内存区域一样，不过还是会有一些区别：

这个范围内的内存 page 将会从内核的 direct map 中移除掉，因为 direct map 会允许内核访问（几乎）系统中任何物理页的部分。这样改动之后，内核更难访问到这些内存了，无论是普通访问还是通过漏洞访问都不可以了。
如果 flags 包含 SECRETMEM_UNCACHED，那么只要底层架构支持，这部分内存将被映射为 uncached。uncached 内存访问速度会慢得多，但它也不会受那些预测执行的漏洞的影响。

秘密区域的内存被 lock 在 RAM 中，无法被 swap。因此，这会被算入此进程的 locked-memory limit 限制之内。

这样的功能一直存在一个问题：从内核的 direct map 中移除 page，这是一个会带来很大性能损失的动作。direct map 使用 huge page，因此使用了尽量少的系统 TLB。从 direct map 中移除这里那里的 page，会破坏这些 huge page，显著增加要使用的 TLB 数量。为了将这种影响降到最低，memfd_secret()patchset 维护了另一个独立的物理连续页面的缓存。

最近这个 patch set 的改动已经不多了，所以它可能已经接近于可以被合入。不过，在实际打上这个 patch 之前，人们很难确定 memory-management patch 是否真的会被合入。

KVM 保护内存

虽然内存泄露漏洞在任何系统上都是坏事，但在运行虚拟化 guest OS 的系统上问题更大。这类机器可能运行着来自完全不相关的人员的 workload，而这些 workload 通常来说是不愿意互相分享秘密信息的。因此，由于很可能与攻击者控制的 guest OS 共享物理系统，使得内存保护成为了一个更加紧迫的问题。作为加固这些系统的一种方式，CPU 厂商一直在增加内存加密机制，使 guest memory 无法被内核以及其他 guest 访问。不过这些功能都会带来一些额外开销，而且目前支持这些功能的硬件还远未普及。

但是， Kirill Shutemov 从这些技术中得出了一个有趣的结论：使用了这些技术的系统仍然可以正常工作，这意味着大多数时候其实内核或 hypervisor 并不需要访问这些内存。所以他整理了一套 patch set，完全采用了软件方法来实现。运行这套代码的系统并不需要对 guest memory 进行加密，而只是简单地将其 unmap 掉。这个功能需要内核和 guest 两边都要支持。

具体来说就是增加了一个 KVM hypercall，允许 guest 请求他们的内存不可被其他人访问到。host kernel 会相应处理，也就是从 direct map 中删除分配给 guest 的这些内存，从而无法访问该内存。用户空间中的方法有点不同：任何属于 guest 的内存仍然保持 mapped 状态，但被标记为 PROT_NONE 这种保护模式，从而使得无法访问了。这将影响像 QEMU 模拟器这样的程序，它会无法直接访问 guest memory。不进行 mapping 的话，自然也会阻止来自其他 guest 的攻击。在 guest 内部，guest kernel 照常控制着内存权限（memory permission）。

这种隔离方式保护了 guest memory，使其不至于因为内核或 QEMU 等组件的漏洞而被意外访问到。但这并不是一种完全的保护。如果 host kernel 被入侵，可以执行任意代码的话，它就可以随意重映射这些 page 并偷取到其中内容。不过对于绝大多数让内核访问野指针指针的漏洞或者 speculative-execution 漏洞来说，这种 unmapping 动作就可以给攻击者增加很大的麻烦。

当然，有些时候，内核必须访问 guest 内部的内存才能执行正常的内核功能。我们为 guest 添加了第二个 hypercall，用来表明它们需要向 host kernel 开放哪些内存。这些范围将被映射到 host kernel 的地址空间内。虚拟化设备的 DMA buffer 就是一个例子，guest 会希望以这种方式与 host kernel 共享内存。

这项工作看起来很有价值，但还是有一些问题需要先解决，才能合入。与 memfd_secret()不同的是，这项工作没有提供避免 page 被移除产生的 direct map 碎片问题的解决方案，因为在这种情况下涉及的内存空间相当大，碎片问题可能会更严重。unmap 的 guest memory 无法被迁移（migration），这就破坏了内核的内存 defragment 机制。这很可能会随着运行的时间变长，而造成各种问题。Shutemov 也承认，需要先解决这个问题再合并 patch。目前如果一个 guest 系统启用了这种内存保护方式的话，也就不可以被 reboot 了。Shutemov 建议这种情况可以直接判定为 "不支持"，不过这个想法已经在讨论中引起了抱怨。

这些问题意味着 KVM proected memory 这个功能不会在不久的将来内出现在主线内核中。不过这两个 patch set 很可能都给我们指明了今后发展的一个方向。尽可能的共享内存，这会提高性能，但越来越明显看出与之相关的安全问题很难解决。所以，尽可能地分离地址空间，这看起来是一个相对简单的方法，可以避开许多这类问题。

全文完
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