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カーネルページテーブル分離（KPTIまたはPTI、[1]以前はKAISERと呼ばれていました）[2] [3]は、 Linuxカーネルの機能であり、 Meltdownセキュリティ脆弱性（主にIntelのx86 CPUに影響）[4]を軽減し、カーネルアドレス空間レイアウトランダム化（KASLR）をバイパスする試みに対するカーネルの強化を改善します。ユーザー空間とカーネル空間メモリをより適切に分離することで機能します。 [5] [6] KPTIはLinuxカーネルバージョン4.15に統合され、[ 7] Linuxカーネル4.14.11、4.9.75、および4.4.110にバックポートされました。 [8] [9] [10] Windows [11]とmacOS [12]でも同様の更新がリリースされました。KPTIは関連するSpectre脆弱性には対処していません。[13]
KAISERの背景
KPTIパッチはKAISER（サイドチャネルを効率的に除去するためのカーネルアドレス分離の略）[6]に基づいており、2016年に考案され[14] 、2017年6月にメルトダウンがまだ知られていなかった頃に公開された技術です。KAISERにより、はるかに軽微な問題に対する2014年の緩和策であるKASLRを破ることがより困難になります。
2014年にLinuxカーネルはカーネルアドレス空間レイアウトランダム化（KASLR）を採用しました。 [ 15 ]これにより、カーネルアドレスマッピングがユーザー空間から隠されたままになるため、他のカーネルの脆弱性を悪用することがより困難になります。[ 16 ]これらのカーネルマッピングへのアクセスを禁止しているにもかかわらず、最近のプロセッサにはこのメモリの場所を漏らすサイドチャネル攻撃がいくつかあり、KASLRを回避することが可能であることが判明しています。[6] [18] [19] [20]
KAISERは、アドレス漏洩の原因のいくつかを排除することで、KASLRのこれらの問題に対処しました。[6] KASLRはアドレスマッピングの漏洩を防ぐだけですが、KAISERはデータの漏洩も防ぐため、メルトダウンのケースをカバーできます。[21]
KPTI は KAISER に基づいています。KPTI が有効になっていない場合、ユーザー空間コード (アプリケーション) を実行するたびに、Linux はカーネル メモリ全体をページ テーブルにマップしますが、アクセスは保護されます。利点は、アプリケーションがカーネルにシステム コールを実行したり、割り込みを受信したりするときに、カーネル ページ テーブルが常に存在するため、コンテキスト切り替え関連のオーバーヘッド ( TLB フラッシュ、ページ テーブル スワッピングなど) のほとんどを回避できることです。[5]
メルトダウン脆弱性とKPTI
2018年1月、Intelのx86 CPUとARM Cortex-A75に影響を与えることが知られているMeltdown脆弱性が公開されました。[22] [23]これは、KAISERが当初修正しようとしていたKASLRバイパスよりもはるかに深刻な脆弱性でした。これまで考えられていたように、メモリマッピングの場所だけでなく、カーネルメモリの内容も漏洩する可能性があることが判明しました。
KPTI (概念的には KAISER に基づく) は、保護されている場所のほとんどがユーザー空間にマッピングされるのを防ぐことで、Meltdown を防止します。
AMD x86プロセッサは現在メルトダウンの影響を受けないことが知られており、その緩和にKPTIは必要ありません。[13] [24]ただし、KPTIが無効になっている場合、AMDプロセッサは依然としてKASLRバイパスの影響を受けます。[20]
実装
KPTI は、ユーザー空間とカーネル空間のページ テーブルを完全に分離することで、これらのリークを修正します。ページ テーブルの 1 セットには、以前と同じようにカーネル空間とユーザー空間の両方のアドレスが含まれますが、これはシステムがカーネル モードで実行されている場合にのみ使用されます。ユーザー モードで使用する 2 番目のページ テーブル セットには、ユーザー空間のコピーと、システム コール、割り込み、例外を開始または終了するために必要な情報を提供するカーネル空間マッピングの最小限のセットが含まれます。[5]
プロセスコンテキスト識別子（PCID）をサポートするプロセッサでは、トランスレーションルックアサイドバッファ（TLB）のフラッシュを回避できますが[5]、それでも、特にシステムコールや割り込みが多いワークロードでは、パフォーマンスに大きなコストがかかります。[25]
KAISERの原作者によると、オーバーヘッドは0.28%と測定された。[6] Linux開発者は、PCID最適化を行っても、ほとんどのワークロードで約5%、場合によっては最大30%と測定している。[5]データベースエンジンPostgreSQLの場合、Intel Skylakeプロセッサでの読み取り専用テストへの影響は7～17%（PCIDなしでは16～23%）であったが、[26]完全なベンチマークでは13～19%の損失があった（Coffee Lake vs. Broadwell-E）。[27]多くのベンチマークはPhoronixによって行われており、[28] [29] [1] Redisは6～7%遅くなった。[27] LinuxカーネルのコンパイルはHaswellで5%遅くなった。[30]
KPTI はカーネルブートオプション「nopti」で部分的に無効にすることができます。また、新しいプロセッサで情報漏洩が修正された場合に KPTI を無効にするための規定も作成されました。[2]
参考文献
- ^ ab Larabel, Michael (2018-01-03). 「Intel CPU の「x86 PTI 問題」を他のシステムでさらに分析」Phoronix。
- ^ ab Corbet, Jonathan (2017-12-20). 「カーネル ページ テーブル分離の現状」LWN.net。
- ^ Cimpanu, Catalin (2018-01-03). 「OS メーカーが Intel CPU の秘密のセキュリティバグに対するパッチを準備中」Bleeping Computer。
- ^ 「Spectre、Meltdown: 重大な CPU セキュリティ欠陥の説明 – ExtremeTech」ExtremeTech 2018 年 1 月 4 日. 2018 年 1 月 5 日閲覧。
- ^ abcde Corbet, Jonathan (2017-11-15). 「KAISER: ユーザー空間からカーネルを隠す」LWN.net。
- ^ abcde グルース、ダニエル;リップ、モーリッツ。シュワルツ、マイケル。フェルナー、リチャード。モーリス、クレメンティーン。マンガルド、ステファン (2017-06-24)。 KASLR は死んだ: KASLR 万歳(PDF)。エンジニアリング セキュア ソフトウェアおよびシステム 2017。
- ^ Corbet, Jonathan (2017-12-20). 「カーネル ページ テーブル分離が統合されました」. LWN.net .
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- ^ @aionescu (2017-11-14). 「Windows 17035 カーネル ASLR/VA 分離の実践」(ツイート) – Twitter経由。
- ^ 「AppleはすでにmacOSにIntel CPUのセキュリティ欠陥「KPTI」の修正を部分的に実装している」AppleInsider 2018年1月3日2018年1月3日閲覧。
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- ^ Gruss, Daniel (2018-01-03). 「#FunFact: We submitted #KAISER to #bhusa17 and got it declined」。2018-01-08時点のオリジナルよりアーカイブ。2018-01-08に取得– Twitter経由。
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- ^ Freund, Andres (2018-01-02). 「注意: Intel ハードウェア バグの修正によりパフォーマンスの低下が発生します」. PostgreSQL開発メーリング リスト (pgsql-hackers) .
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- ^ Larabel, Michael (2018-01-02). 「Linux ゲームのパフォーマンスは x86 PTI 作業の影響を受けていないようです」。Phoronix。
- ^ Larabel, Michael (2018-01-03). 「Linux 4.15 KPTI パッチによる VM パフォーマンスへの影響はさまざま – Phoronix」。Phoronix。
- ^ Velvindron、Loganaden (2018-01-04)。「Linux KPTI パフォーマンスが実際のワークロードに与える影響」。Loganaden Velvindron。2018年 1 月 5 日閲覧。
外部リンク
- 17. ページ テーブル分離 (PTI) - Linux カーネルのドキュメント
- KPTI ドキュメント パッチ