Meltdown, Spectre, ve Özgür Yazılımın

Transkript

1 Chris Stephenson Slide 1 of 70, Spectre, ve Özgür Yazılımın Geleceği Özgür Yazılım ve Linux Günleri 12 Mayıs, 2018 Chris Stephenson Department of Computer Science University of Life Last compiled on May 12, 2018

2 Chris Stephenson Slide 2 of 70 Biraz bilgisayar tarihi bize lazım. Maaşla ilk programladığım bilgsayardan başlayalım...

3 Chris Stephenson Slide 3 of : IBM 1130

4 Chris Stephenson Slide 4 of 70 Hız meselesi... Işığın hızının önemi Işığın hızı evrenin hız limiti m/s yani 1 foot / nanosaniye 1 nanosaniye = 30 cm

5 Chris Stephenson Slide 5 of 70 Hız meselesi... Çağdaş bir bilgisayarın devir frekansı 2.5 GHz Yani 1 devir = 0.25 nanosaniye Yani 1 devir = 7.5 cm

6 Chris Stephenson Slide 6 of 70 Hız meselesi : IBM 1130 de önbellek yoktu. 1981: İlk PClerde önbellek yoktu. Niçin?

7 Chris Stephenson Slide 7 of 70 Hız meselesi...ibm 1130 İşlemci 45 x 60 x 10 cm, Hafıza da Ana hafıza devir : 3.6 mikrosaniye İşlemci devir: 3.6 mikrosaniye Yani işlemci be hafızanın devir frekansı 300 khz

8 Chris Stephenson Slide 8 of 70 Hız meselesi...ibm 1130 Ama bazı zor işlemler daha yavaş Çarpma, shift 40 mikrosaniyeden fazla olabilir. Hele hele bölmek 100 mikrosaniyeden fazla olabilir. Yani bilgisayarın hız limiti işlemcide.

9 Chris Stephenson Slide 9 of 70 Hız meselesi...orijinal IBM PC (1981)

10 Chris Stephenson Slide 10 of 70 Hız meselesi...orijinal IBM PC (1981) Intel 8088 çip RAM 200 nanosaniye İşlemcinin işlem ortalaması 1-2 mikrosaniye. RAM yolu 8 bitlik, ve bir işlem için 4-5 byte lazımsa. İşlemci/RAM hızları aşağı yukarı eşit

11 Chris Stephenson Slide 11 of 70 Hız meselesi...bugünkü IBM PC Intel x86 çip - çipte 4 işlemci Frekans 2.5 GHz, Bir işlem/devir Ortalama işlem 0.1 nanosaniye DRAM latency 10 nanosaniye İşlemci RAM dan 100 kat hızlı!

12 Chris Stephenson Slide 12 of 70 RAM/işlemci hız makası

13 Chris Stephenson Slide 13 of 70 Hız meselesi...bugünkü IBM PC Mühendislik sorunu!

14 Chris Stephenson Slide 14 of 70 Hız meselesi...bugünkü IBM PC Çözüm: Önbellek prensibini kullanmak

15 Chris Stephenson Slide 15 of 70 Hız meselesi...önbellek prensibi Bir veriye erişildikten sonra, pek yakında tekrar erişilecek Bir veriye erişildikten sonra, pek yakında komşularına erişilecek Erişimlerin yüksek bir yüzdesi... tekrarlardan ibaret

16 Chris Stephenson Slide 16 of 70 Hız meselesi...önbellek prensibi Küçük, pahalı ama hızlı bir bellek, yavaş ucuz belleğimizin önünde diktireceğiz Çoğu erişim hızlı bellekten olacak. Ama hit oranı önemli olacak

17 Chris Stephenson Slide 17 of 70 Hız meselesi...önbellek hesabı Hızlı bellek erişim vakti H ise, yavaş Y ise, hit oranı r ise Ortalama erişim vakti... Hr + Y(1 r) olacak

18 Chris Stephenson Slide 18 of 70 Hız meselesi...önbellek hesabı H ve Y arasındaki hız farkı 100 kat ise ve hit oranı 0.99 ise hız yavaş belleğın 50 katı 0.95 ise hız yavaş belleğın 6 katı Yani işin kilit noktası Hit oranı yüksek tutmak

19 Chris Stephenson Slide 19 of 70 Önbellekler her yerde İşlemcinin işlem borusu İşlemci just in time işlem çevirisi Sanal hafızada Translation Lookaside Buffer O da önbellek!!

20 Chris Stephenson Slide 20 of 70 Önbellekler her yerde Sanal makine (Java ya da.net) just in time değerlendirmesi Hard disk erişiminde Web istemcide

21 Chris Stephenson Slide 21 of 70 Hız meselesi... Hit oranı yüksek tutmak Genellikle 3 önbellek katmanı L1 ve L2 her işlemciye özel L3 çipteki işlemcilere ortak

22 Chris Stephenson Slide 22 of 70 Intel Nehalem çipin önbellekleri

23 Chris Stephenson Slide 23 of 70 Intel Haswell çipin önbellekleri

24 Chris Stephenson Slide 24 of 70 Önbellek sorunları Önbellekten çıkartma sorunu Önbellekte çatışma sorunu Önbelleği geriye yazmak sorunu Önbellek şeffaflığı sorunu

25 Chris Stephenson Slide 25 of 70 Modern bilgisayar Önbellek prensibi sorunları... İki farklı yerde aynı veri depolanırsa... Yazma sorunu Ya %99 değilse?

26 Chris Stephenson Slide 26 of 70 Modern bilgisayar Perfomans vs doğruluğu Yanlış sonuca daha hızlı ulaşmak... Önbellek şeffaf olmak zorunda Değilse ayvayı yedik Aynı sonuç ama daha hızlı

27 Chris Stephenson Slide 27 of 70 Önbellek tipleri Associative Direct mapped Harmanlama direct ve associative Tags and evictions Her işlemci farklı olabilir.

28 Chris Stephenson Slide 28 of 70 Önbellek tipleri Satır uzunluğu Ways

29 Chris Stephenson Slide 29 of 70 Önbellek tipleri Gerçek bir örnek - Intel Haswell çip

30 Chris Stephenson Slide 30 of 70 Side Channel - Yan kanal Herhangi bir gayri resmi iletişim kanalı Canlı bir örnek - veri merkezinde bağırmak IBM 1130 dan eski bir örnek

31 Chris Stephenson Slide 31 of 70 Yan kanallar Normal kanallar dışından veri alabilmek. Sesleri Isı Hız / zamanlaması Radyasyon Su akışı/hava akışı

32 Chris Stephenson Slide 32 of 70 Yan kanallar Bazı yan kanallar çok gürültülü -

33 Chris Stephenson Slide 33 of 70 Yan kanallar Bazı yan kanallar çok gürültülü - Ama tekrar tekrar ne dedin sorarak gürültü iptal edilebilir

34 Chris Stephenson Slide 34 of 70 Yan kanallar Hiç unutmayınız -

35 Chris Stephenson Slide 35 of 70 Yan kanallar Hiç unutmayınız - Bilgisayar yorulmaz!

36 Chris Stephenson Slide 36 of 70 Olayın tarihçesi Geliyorum diyen felaket The Intel 80x86 Processor Architecture: Pitfalls for Secure Systems

37 Chris Stephenson Slide 37 of 70 Olayın tarihçesi Geliyorum diyen felaket

38 Chris Stephenson Slide 38 of 70 Olayın tarihçesi İstanbul Bilgi Üniversitesi, Bilgisayar Bilimleri Bölümü, Ocak 2001 Comp 371 dersinin ödevi

39 Chris Stephenson Slide 39 of 70 Olayın tarihçesi İstanbul Bilgi Üniversitesi, Bilgisayar Bilimleri Bölümü, Ocak 2001 Comp 371 dersinin ödevi

40 Chris Stephenson Slide 40 of 70 Olayın tarihçesi Hele hele Geliyor Türkiyeliler tarafında söylenirse (2007)...

41 Chris Stephenson Slide 41 of 70 Olayın tarihçesi Mühteşem fırtına için bir araya gelen piyasa...

44 Chris Stephenson Slide 44 of 70 Olayın tarihçesi Mühteşem fırtına için bir araya gelen faktörler... RAM ve işlemci hızları arasında açılan makas Moore kuralının çökmesiyle çipte çoğalan işlemci sayısı Paralelliği arttırmak için işlem boru hatların uzatılması İşlem boru hattı Branch prediction gerektiriyor Önbellek konusunda tasarım hataları

45 Chris Stephenson Slide 45 of 70 Olayın tarihçesi Mühteşem fırtına için bir araya gelen STATE... Önbellek STATE Sanal hafıza önbelleği STATE Boru hattı STATE Branch prediction STATE

46 Chris Stephenson Slide 46 of 70 Olayın tarihçesi Mühteşem fırtına için bir araya gelen ticaret... Bulut sistemleri - Other peoples computers Yani başkaların bilgisayarları Hasanpaşa da ağaç evi değil Komsunu tanımıyorsun

47 Chris Stephenson Slide 47 of 70 Olayın tarihçesi history - KASLR Apple çekirdeği - Temmuz 2012 Linux çekirdeği - Mart 2014 MS Windows...?

48 Chris Stephenson Slide 48 of 70 Olayın tarihçesi tarihçesi - KASLR şüpheler başlıyor Ağustos 2016: Anders ve Fogh - Blackhat 2016 Avusturya Graz Enstitusu KPTI tekniğini anlatan makale BlackHat 2017 kongresinden red alıyor. 28 Temmuz 2017 ispat ediliyor, kurumlara haber veriliyor. 6 aylık gizlilik süresi veriliyor

49 Chris Stephenson Slide 49 of 70 Olayın tarihçesi history - Önlemler alınıyor Kasım haber sızmaya başlıyor Ocak 2018 Linux Kerneldeki yamalar fark ediliyor erken ilan ediliyor. Ubuntu geç kalıyor...

50 Chris Stephenson Slide 50 of 70 Bir zamanlar bilgisayar Makaleler yayınlanıyor

51 Chris Stephenson Slide 51 of 70 Side channel - Flush and Reload Flush and reload L3 cache bütün işlemcilere ortak Flush, reload ve saati tut yöntemiyle kimin nereye bakmış olduğunu tespit etmek mümkün Bu aynı bilgisayarda çalışan (işlemci çekirdeği farklı olursa bile) iki program arasında bir yan kanal

52 Chris Stephenson Slide 52 of 70 Side channel - Flush and Reload Flush and reload kodu

53 Chris Stephenson Slide 53 of 70 Ama kimin nereye baktığını bilmek ne işe yarar? Yasak bir alanda saklanmış bir veriye göre farklı yereler baktırabilsek... O zaman o verini değerini öğrenmek şansımız var. böylece Flush and Reload kullanabiliyor.

54 Chris Stephenson Slide 54 of 70 Sanal hafıza, PageTable ve işletim sistemlerin bir zafiyeti kullanmak gerek Linux ios ve Windows de kullanıcı programların page tablolarında bütün hafızanın haritası mevcut Yani orada olan bir değere göre bir yere baktırabilirsek o yerin adresini öğrenerek, değeri de öğrenmek mümkün Ancak kullanıcı programın oraya bakmasını yasak Oraya bakarsa işlemci hata verip exception tetikliyor Ve işlem yapılmayacak

55 Chris Stephenson Slide 55 of 70 Başka bir cache yardımımıza geliyor- speculative execution İşlemleri hızlandırmak için işlemci cache prensibini kullanarak ileri koşup sonraki işlemler pipeline e alıyor. İşlemler yapılıyor. Geçerliliklerini kontrol edilmeden değerlendiriliyorlar Program başka yere atlarsa, yada bir önceki işlem hata tetikliyorsa, bu spekülatif işlemler geri alınıyor. Ve fiilen işlem yapılmamış oluyor

56 Chris Stephenson Slide 56 of 70 Başka bir cache yardımımıza geliyor- speculative execution İşlemleri hızlandırmak için işlemci, cache prensibini kullanarak, ileri koşup sonraki işlemler pipeline e alıyor. İşlemler yapılıyor. Geçerliliklerini kontrol edilmeden değerlendiriliyorlar Program başka yere atlarsa, yada bir önceki işlem hata tetikliyorsa, bu spekülatif işlemler geri alınıyor. Ve fillen işlem yapılmamış oluyor

57 Chris Stephenson Slide 57 of 70 Ancak geri alınan işlemlerin cache içinde biraktığı iz silinmiyor! Kurnaz planımız bu: İşletim sistemine ait yasak bölgesindeki bir değere göre bir hafıza erişimi yapmaya çalışacağız. Yani dolaylı (pointer kullanarak) bir işlem Bu işlem yasak Ancak yasak olduğu fark edilmeden önce işlenmiş olacak. Yasak olduğu fark edilince geri alınıyor. Ancak flush and reload tekniğiyle bu işlemin cache içinde bıraktığı adresi öğrenerek verinin bir kısmını öğrenmiş oluyoruz.

58 Chris Stephenson Slide 58 of 70 Ancak her deneme için exception oluyor! Daha da kurnaz planımız bu: İşlemci atlama tahmini de yapar Programın nereye gideceğini tahminine göre işlemci ön değerlendirme yapar. Bu tahmin mekanizmasını yanıltabilirsek, hiç değerlendirilmeyecek atlama komutu sonrasındaki kodun cache e etkilmesini sağlayabiliriz Değerelendirilmeyecek olduğu fark edilmeden önce işlenmiş olacak. Değerlendirlimeyeceği fark edilince geri alınıyor. Böylece hızlı bir şekilde flush and reload tekniğiyle bu işlemin cache içinde bıraktığı adresi öğrenerek verinin bir kısmını öğrenmiş oluyoruz.

59 Chris Stephenson Slide 59 of 70 Ancak verini hepsini öğrenmedik ki! Sadece cache satır nosunu öğrenebildik Yani verinin ortada duran bitleri öğrenebildik Ne yapalım?

60 Chris Stephenson Slide 60 of 70 Ancak verini hepsini öğrenmedik ki! Sadece cache satır nosunu öğrenebildik Yani verinin ortada duran bitleri öğrenebildik Ne yapalım? Dolaylı adresi sağa sola shift ederek hedef verinin bütün bitlerini bu pencere içine alırız

61 Chris Stephenson Slide 61 of 70 Bu yöntemleri kullanarak, PoC (proof of concept) kodu, Intel işlemcide ortalama 0.5 Mbyte/sec sistem hafızasından okuyabildi.

62 Chris Stephenson Slide 62 of 70 Bana gelen gerçek mesaj: sadece hafızayı okuyabiliyor olup yazamıyorsa ne sakınca var ki?

63 Chris Stephenson Slide 63 of 70 Önlemler - donanım flush komutu ve benzer komutlar privileged olmalı. Yani sadece kernel yapabilir olması lazım bu yetmiyor: önbellek çatışması yaratarak aynı şey yapmak mümkün speculative execution erişim kontrollarına dahil olmalı

64 Chris Stephenson Slide 64 of 70 Önlemler - yazılım Page Table paylaşımına son Spectre ye karşı jump tabloların yok edilmesi Değerleyicilerin kod üretiminde değişim. (Yine Spectre) algoritmaların rastlantasallaştırılması... (muslukları açın)

65 Chris Stephenson Slide 65 of 70 ACM - queue - önemli bir makale

66 Chris Stephenson Slide 66 of 70 ACM - queue - önemli bir makale

67 Chris Stephenson Slide 67 of 70 ACM - queue - önemli bir makale C düzeyi düşük bir dil değil Bilgisayarın bir PDP-11 değil C den kurtulmak lazım. (Chisnall LLVM C değerleyicisi uzmanı)

68 Chris Stephenson Slide 68 of 70 Önlemler - yazılım - uzun vade Programlama dillerin akıllılığı Fonksiyonel strictly typed işletim sistemleri

69 Chris Stephenson Slide 69 of 70 Sonuç Ve nihayet - özgürlük ve açıklık Özgür donanım da lazım Önlemler için açıklık şart