KPTI——可以缓解“熔断” (Meltdown) 漏洞的内核新特性

Linux 内核修复办法:内核页表隔离KPTl(kernel page table isolation)

• 每个进程一张页表变成两张:运行在内核态和运行在用户态时分别使用各自分离的页表
• Kernel页表包含了进程用户空间地址的映射和Kernel使用的内存映射
• 用户页表仅仅包含了用户空间的内存映射以及内核跳板的内存映射
• 当进程运行在用户空间时,使用的是用户页表
• 当发生中断或者是异常时,需要陷入到内核,进入内核空间后,有一小段内核跳板将页表切换到内核页表

• KPTI最早是运用在x86上
• KPTI补丁已经合并到Linux 4.15-rc4上

x86上的KPTI补丁主要工作:

1. 内核页表和用户态页表的分离和切换
2. 进程切换的优化:

• 因为内核态的页表包含了所有地址空间的页表，所以可以安全的访问到用户态页表
• 进程中用户态到内核态之间的切换，需要切换CR3寄存器
• 采用per-cpu的PCID来优化

ARM上的KPTI

• ARM64 只有Cortex-A75中招Meltdown漏洞 ARM64上早已经采用了双页表的设计，但是。
• ARM64上KPTI 的优化：
  • A75上虽然有两个页表寄存器，但是TLB上依然没法做到完全隔离，用户进程在meltdown情况下依然有可能访问内核空间映射的TLB entry
  • -个给当进程跑在内核态的使用，另外一个给进程跑在用户态每个进程上的ASID设置两份时使用。这样原本内核空间属于global TLB，就变成Process-Specific类型的TLB。
• ARM64上TLB示意图

ASID的简介

• 进程切换需要flush TLB，导致性能下降
• TLB优化：（ASID）Address Space ID
  • Gobal类型的TLB:内核空间是所有进程共享的空间，因此这部分空间的虚拟地址到物理地址的翻译是不会变化的，可以理解为Global的。
  • Process-specific类型的TLB:用户地址空间是每个进程独立的地址空间。prev进程切换到next进程时，TLB中缓存的prev进程的相关数据对于next进程是无用的，因此可以冲刷掉，这就是所谓的process-specific的TLB。

ASID 优化

KPTI之前：

KPTI之后：