内核页表隔离

内核页表隔离（Kernel page-table isolation，缩写KPTI，也简称PTI，旧称KAISER）是Linux内核中的一种强化（英语：Hardening (computing)）技术，旨在更好地隔离用户空间与内核空间的内存来提高安全性，缓解现代x86 CPU中的“熔毁”硬件安全缺陷。^[1][2]

前身

KPTI补丁基于KAISER，它是一个用于缓解不太重要问题的早期补丁，当时业界还未了解到Meltdown的存在。

如果没有KPTI，每当执行用户空间代码（应用程序）时，Linux会在其分頁表中保留整个内核内存的映射，并保护其访问。这样做的优点是当应用程序向内核发送系统调用或收到中斷时，内核页表始终存在，可以避免绝大多数上下文交換相关的开销（TLB刷新、页表交换等）。

2005年，Linux内核采用了位址空間配置隨機載入（KASLR）隐匿用户空间中的相关内核地址，增加了利用其他内核漏洞的难度^[3][4]。尽管阻止了对这些内核映射的访问，但在此后发现，现有的英特尔x86处理器（截至2017年12月^[5]）还存在着多处可能泄露这些内存位置的旁路攻击，可能绕过KASLR。^[2][6][7][8]AMD称其处理器不受这些攻击的影响，所以不需要KPTI作为缓解措施。^{[9][10][11][12][9][10][11]}

Meltdown漏洞与KPTI

2018年1月，影响Intel x86处理器的熔毁漏洞被公布。KAISER补丁改为修复此问题，并更名为KPTI，因为新型攻击很类似，尽管更为严重。

实现

KPTI通过完全分离用户空间与内核空间页表来解决页表泄露。支持进程上下文标识符（PCID）特性的x86处理器可以用它来避免TLB刷新，但即便如此，它依然有很高的性能成本。据KAISER原作者称，其开销为0.28%^[2]；一名Linux开发者称大多数工作负载下测得约为5%，但即便有PCID优化，在某些情况下开销高达30%。^[1]

KPTI在2018年早期被合并到Linux内核4.15版^[13][14]，并被反向移植到Linux内核4.14.11。Windows^[15]和macOS^[16]也发布了类似的更新。

使用内核启动选项“pti=off”可以部分禁用内核页表隔离。依规定也可对已修复漏洞的新款处理器禁用内核页表隔离^[13]。

参见

• 熔毁 (安全漏洞)
• 幽灵 (安全漏洞)
• 奔腾浮点除错误

参考文献

1. Corbet, Jonathan. KAISER: hiding the kernel from user space. LWN.net. 15 November 2017 [2018-01-03]. （原始内容于2020-12-08）. 
2. Gruss, Daniel; Lipp, Moritz; Schwarz, Michael; Fellner, Richard; Maurice, Clémentine; Mangard, Stefan. KASLR is Dead: Long Live KASLR (PDF). Engineering Secure Software and Systems 2017. 24 June 2017 [2018-01-03]. （原始内容 (PDF)于2018-06-28）. 
3. Dang, Alan. The NX Bit And ASLR - Behind Pwn2Own: Exclusive Interview With Charlie Miller. Tom's Hardware. 25 March 2009 [2017-12-29] （英语）. 
4. Bhattacharjee, Abhishek; Lustig, Daniel. Architectural and Operating System Support for Virtual Memory. Morgan & Claypool Publishers. 29 September 2017: 56. ISBN 9781627059336 （英语）. 
5. 腾讯科技. . 财经网. 2018-01-03 [2018-01-03]. （原始内容存档于2018-01-04） （中文（中国大陆））. 
6. Jang, Yeongjin; Lee, Sangho; Kim, Taesoo. Breaking Kernel Address Space Layout Randomization with Intel TSX (PDF). 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. CCS '16 (New York, NY, USA: ACM). 2016: 380–392 [2018-01-03]. ISBN 9781450341394. doi:10.1145/2976749.2978321. （原始内容 (PDF)于2020-09-21）. 
7. Gruss, Daniel; Maurice, Clémentine; Fogh, Anders; Lipp, Moritz; Mangard, Stefan. Prefetch Side-Channel Attacks: Bypassing SMAP and Kernel ASLR (PDF). 2016 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. CCS '16 (New York, NY, USA: ACM). 2016: 368–379 [2018-01-03]. ISBN 9781450341394. doi:10.1145/2976749.2978356. （原始内容 (PDF)于2020-08-17）. 
8. Hund, R.; Willems, C.; Holz, T. Practical Timing Side Channel Attacks against Kernel Space ASLR (PDF). 2013 IEEE Symposium on Security and Privacy. May 2013: 191–205 [2018-01-03]. doi:10.1109/sp.2013.23. （原始内容 (PDF)于2020-11-09）. 
9. Lendacky, Tom. Do not enable PTI on AMD processors. 26 December 2017 [2018-01-03]. （原始内容于2020-11-09）. 
10. Gleixner, Thomas. x86/cpu, x86/pti: Do not enable PTI on AMD processors. 3 January 2018 [2018-01-04]. （原始内容于2020-06-28）. 
11. An Update on AMD Processor Security. 4 January 2018 [2018-01-04]. （原始内容于2018-03-17）. 
12. IT之家. AMD谈Intel芯片漏洞：我们没受影响. 凤凰资讯. 2018-01-04 [2018-01-04]. （原始内容于2018-01-05）. 
13. Corbet, Jonathan. Kernel page-table isolation merged. LWN.net. 20 December 2017 [2018-01-03]. （原始内容于2020-10-31）. 
14. Larabel, Michael. KAISER Getting Ready To Better Protect The Linux Kernel. Phoronix. 27 November 2017 [2018-01-03]. （原始内容于2020-10-19）. 
15. Alex Ionescu [@aionescu]. Windows 17035 Kernel ASLR/VA Isolation In Practice (推文). 14 November 2017 –通过Twitter. 
16. Apple has already partially implemented fix in macOS for 'KPTI' Intel CPU security flaw. AppleInsider. [2018-01-03]. （原始内容于2018-01-11） （美国英语）. 

外部链接

• 英特尔陷芯片安全问题漩涡_新浪网 （页面存档备份，存于互联网档案馆）（简体中文）
• KPTI documentation patch （页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文）