Arachne【源码分析】及AESA、PortSmashA

2024-01-04 19:10

本文主要是介绍Arachne【源码分析】及AESA、PortSmashA,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

相关内容可以参考论文《Partial-SMT: Core-scheduling Protection Against SMT Contention-based Attacks》

Arachne模块划分

CoreAbiterServer:处理句柄、建立断开连接、核请求和释放、阻塞线程、核调度(核心函数,功能是先给被抢占的线程分配核再给被阻塞的分配核,distributeCore)。

这些核调度的规则如何落实到线程?应该是通过socket的阻塞(sys->read)。如何具体将不同线程放到指定核心上?通过交换CoreID对应的上下文(swapcontext)。

CoreAbiterClient:通过Socket和共享内存与Server交互,发出请求,具体功能由Server完成

Arachne:向用户提供API,会调用CoreAbiterClient等。

Arachne代码流程图

https://github.com/PlatformLab/arachne-all

Init函数(主线程)

首先分析命令行参数来设置全局变量等(parseOptions)。配置好CoreArbiterClient(其中Socket位置:/tmp/CoreArbiter/socket)。根据命令行参数中的核数量分配做一个默认的CorePolicy。

发送核数量请求(CoreArbiterClient::setRequestedCores),具体会通过CoreArbiterClient来向CoreArbiterServer发送请求。

这需要CoreArbiterServer先启动起来,并与之建立连接。告诉CoreArbiterServer我的进程ID、线程ID。如果当前线程的对应进程刚创建,则之后会收到全局内存共享、进程内存共享的地址,然后地址对应的文件映射到内存(分别取名为globalStats、processStats)。

通过建立好的连接,发出各个优先级的核数量请求(CORE_REQUEST)。

根据可供管理的核数量,建立若干内核线程(入口是threadMain)。

初始化主线程的核信息、栈信息及其他信息。

CreateThread函数(主线程)

某些信息的维护,关键的是把目标Main作为一个task保存到数据结构中,用于之后调度。

threadMain函数(内核线程)

初始化核心信息。阻塞自己直到获得核ID(CoreArbiterClient::blockUntilCoreAvailable):发送THREAD_BLOCK到Server。等待核分配。

分配到核之后,信息维护,包括初始化栈,返回地址指向schedulerMainLoop,之后会通过swapcontext转换到schedulerMainLoop。

信息维护,dispatch等待任务(目标Main)到来(不断的遍历context,直到有一个context包含任务,没有时间片的概念,任务执行完去执行下一个),然后运行它。

CoreArbiterServer(需root权限)

配置CPUSet的相关信息。包括受管理的核和不受管理的核。

【细节】

$cpusetPath=/sys/fs/cgroup/cpuset

$arbiterCpusetPath=/sys/fs/cgroup/cpuset/CoreArbiter

$managedXCpusetPath=$arbiterCpusetPath/ManagedX

$unmanagedCpusetPath=$arbiterCpusetPath/Unmanaged

默认将除核0外其他核都作为Managed Core,并创建目录($arbiterCpusetPath/ManagedX|Unmanaged)。先设置Unmanaged CPUSet:将当前进程放到Unmanaged CPUSet下($cpusetPath/cgroup.procs的进程转移到$unmanagedCpusetPath/cgroup.procs),创建管理Unmanaged CPUSet中核心数量、线程的文件($unmanagedCpusetPath/cpuset.cpus|tasks)。然后设置Managed CPUSet:创建$managedXCpusetPath/tasks

【细节结束】

(将某个线程绑定到特定核,应该是通过cpuset来实现的)

配置全局共享内存(/tmp/CoreArbiter/sharedmemoryGlobal,修改权限让Client端无需root权限),设置listenSocket和epoll用于监听请求。

真正地启动CoreArbiterServer,进入一个循环等待并处理请求的函数(handleEvents,具体由epoll_wait不断等待请求)。

建立连接:当Arachne线程通过CoreArbiterClient发出连接请求时,listenSocket(只有本端的地址,没有对端的地址,只能通过epoll来触发)接收到,并建立一个Arachene线程专用的Socket(有两端的地址信息),从Socket收到Arachene线程的进程ID、线程ID。如果对方的所属进程第一次与我建立连接,那么我就配置进程共享内存(/tmp/CoreArbiter/sharedmemory$processId),将全局共享内存和进程共享内存通过socket发给Arachne线程。

收到各个优先级核数量的请求(CORE_REQUEST)。进行信息维护,如请求与上一次请求有变,则进行核调度(distributeCores)。

收到阻塞线程的请求(THREAD_BLOCK)。根据情况阻塞线程(已运行在托管核上的内核线程如果被Server要求回收核,那就回收内核,不然让内核线程继续运行,即不阻塞)。之后进行核调度,(把),直到有可用的核给内核线程。

当托管核变为非托管核,会出现核上线程存在的情况。抢非托管核会出现抢占情况。

AesA性能分析

https://github.com/LihengChen9/AesA

(AESA是使用Arachne线程库对AES进行多线程运算。AES代码取自openssl。AESA跑的数据可以看Github仓库)

当线程执行时间<几十ms时,我们可以看的pthread和arachne线程周期基本相同,说明两者线程执行时间基本相同,我们调大线程任务量一个量级,可以发现pthread线程随着线程数增多,单线程任务量减少,线程周期并没有减少,而arachne的仍然会减少,这主要是因为pthread存在执行一个时间片会挂起的原因,导致线程周期大于线程真正执行时间,因此体现出来的时延也高了。

Arachne总时长略高的原因是,arachne线程的负载均衡程度会略差一些。可以看到,随着线程数量增加,arachne总时长会趋向ps模式,因为线程数量多了,每个线程任务量少了,负载均衡略差的影响变小了。

Arachne在多线程,单线程任务量少的时候,单线程周期相比pthread模式短,但是总时长和ps模式差不多。总时长不如pd模式,是因为pd模式真正的多个物理核,因为AES场景下,每个线程都是实实在在的工作,没有闲下来的时候,所以比如2个逻辑核不如2个物理核来的实在。关于开关SMT下的对比,使用相同数量的物理核,性能没有提升,应该也是因为Aes场景的原因,分出来逻辑核没有出现性能优势。(Intel给的数据有点不同,他在Aes下开SMT有性能优势,我怀疑是因为它实验的cpu一个物理核中有很足够的功能部件,使得两个逻辑核之间不会出现资源抢占,好比它的cpu一个物理核有两条马路,我的cpu大部分时候两条马路,中间有一段两条马路合并了)。

PortSmashA及相关科普

https://github.com/bbbrumley/portsmash

https://github.com/LihengChen9/PortSmashA

(PortSmashA是利用Arachne防御PortSmash)

System() popen()函数都是先通过fork出一个子进程来执行命令,会调用exec族函数具体执行命令,system会等待子进程完成后再返回,而popen利用管道,使得子进程依然执行,并且popen函数返回。】

其中exec族函数会将当前进程替换成命令指定的线程(pid不变,但是上下文都变了),通过人工检查pid,发现尽管是进程的子线程调用exec族函数,整个进程的上下文依然全变了。(所以直接victim进程创建Arachne线程运行exec族函数后,所谓的新Arachne线程没有了,所谓的内核线程没有了,变成了会被挤到非托管核的全新的进程,不再和Arachne有任何相关,也没法再安排一个dummy的Arachne线程来占据Sibling Core,所以不推荐)

Taskset -c在CoreArbiter下,会出现”taskset: 设置 pid XXXX的亲和力失败: 无效的参数”,但并不代表spy就失败了。将ecc的Arachne线程放到核7,spy的Arachne线程放到核3,仍然会出现冲突,但是由于ecc的Arachne线程对应的内核线程会空转,使得ecc不执行时,ecc对应的内核线程也可能存在add等操作,使得spy探测的延迟为全程高延迟。

*为了实现真正的安全(上述仍然可能造成攻击),我们可以在ecc这个受害者这端,开一个dummy的Arachne线程,来完全占据Sibling Core(同进程的Arachne线程优先占据同一个物理核,CoreArbiterServer的调度算法这么写的),这样spy就没法和ecc到同一个物理核。

此外,还发现尽管sched_getcpu和getaffinity会有一致性的维护,但是非Arachne线程的/sys/fs/cgroup/cpuset与上述两个函数(数据结构)存在不一致性,Arachne线程存在一致性。可能是因为非Arachne线程是强行被放到非托管核上,但是并没有通知sched_getcpu和getaffinity两个数据结构。

这篇关于Arachne【源码分析】及AESA、PortSmashA的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/570315

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