25、SIMPLEX：为安全存储重新利用英特尔内存保护扩展

SIMPLEX：为安全存储重新利用英特尔内存保护扩展

1. 引言

在过去几十年里，为增强安全性，硬件层面出现了诸多特性，但这些特性因安全、性能和/或可用性问题而饱受批评。英特尔内存保护扩展（MPX）便是其中之一，它是一种指令集架构扩展，旨在通过硬件加速边界检查，以较低的性能成本实现空间内存安全。然而，近期研究发现，MPX在性能、准确性和精度方面均不如基于软件的空间内存安全方案。尽管如此，由于MPX在现代英特尔处理器中广泛存在，它实际上是一种未被充分利用的硬件资源，可用于安全目的。

MPX由三个关键部分组成：
- 架构支持：包含两个配置寄存器、一个状态寄存器和四个边界寄存器。
- 编译时插桩：在编译阶段进行相关操作。
- 运行时支持：与操作系统集成，管理MPX指令的CPU解释、设置指针边界查找表、解释状态寄存器中的错误代码，并协调操作系统进行内存管理和错误处理。

但在实际应用中，MPX未能达到预期效果。它原本期望高性能、能与未插桩的遗留代码互操作，且无需重写源代码就能在调试和发布环境中进行配置。然而，Oleksenko等人和Serebryany的研究表明，MPX的性能不如基于软件和语言的内存安全方案，即使在编译器优化良好的情况下，也有50%的性能开销，最坏情况下性能开销高达400%。GNU C编译器（GCC）已移除其libmpx库并消除插桩代码，Linux也因社区缺乏维护兴趣而取消了对内核编译的支持。尽管如此，全球仍有至少数亿台设备支持MPX，这使其成为一种普遍但未被充分利用的资源。

为解决这一问题，我们提出了Simplex，这是一个开源库，它将MPX寄存器重新用作通用寄存器。通过Simplex，我们可以直接在硬件上安全地存储敏感信息，如加