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热补丁(Livepatch) 【ChatGPT】

发布时间 2023-12-12 10:12:19作者: 摩斯电码

Livepatch

这份文件概述了有关内核热补丁的基本信息。

1. 动机

有许多情况下，用户不愿意重新启动系统。这可能是因为他们的系统正在进行复杂的科学计算，或者在高峰期使用时负载很重。除了保持系统运行，用户还希望拥有一个稳定和安全的系统。热补丁通过允许对函数调用进行重定向，从而在不重新启动系统的情况下修复关键函数，为用户提供了这两者。

2. Kprobes、Ftrace、热补丁

Linux内核中有多种机制与代码执行重定向直接相关，即内核探针、函数跟踪和热补丁：

  • 内核探针是最通用的。可以通过在任何指令处放置断点指令来重定向代码。

  • 函数跟踪从预定义位置调用代码，该位置靠近函数入口点。这个位置是由编译器使用“-pg”gcc选项生成的。

  • 热补丁通常需要在函数入口的最开始重定向代码，此时函数参数或堆栈尚未以任何方式被修改。

这三种方法都需要在运行时修改现有代码。因此它们需要相互了解，不得相互干扰。大部分这些问题都是通过使用动态ftrace框架作为基础来解决的。当函数入口被探测时，一个Kprobe会注册为一个ftrace处理程序，参见CONFIG_KPROBES_ON_FTRACE。同时，一个来自热补丁的替代函数会通过自定义ftrace处理程序被调用。但是也存在一些限制，见下文。

3. 一致性模型

函数是有原因的。它们以一定方式获取或释放锁，读取、处理甚至写入一些数据，有返回值。换句话说，每个函数都有一个定义好的语义。

许多修复不会改变修改函数的语义。例如，它们添加了空指针或边界检查，通过添加缺失的内存屏障来修复竞争，或在关键部分周围添加了一些锁定。大部分这些改变都是自包含的，函数对系统的呈现方式保持不变。在这种情况下，函数可能会独立地一个接一个地进行更新。

但也存在更复杂的修复。例如，一个补丁可能会同时改变多个函数中锁的顺序。或者一个补丁可能会交换一些临时结构的含义，并更新所有相关的函数。在这种情况下，受影响的单元（线程、整个内核）需要同时开始使用所有新版本的函数。此外，切换必须只在安全的情况下进行，例如在受影响的锁被释放或修改结构中没有数据存储时。

如何以安全的方式应用函数的理论相当复杂。目标是定义所谓的一致性模型。它试图定义新实现何时可以使用，以使系统保持一致。

热补丁具有一个一致性模型，它是kGraft和kpatch的混合体：它使用kGraft的每个任务一致性和系统调用屏障切换，结合了kpatch的堆栈跟踪切换。还有一些备用选项，使其非常灵活。

补丁是基于每个任务应用的，当任务被认为可以安全切换时。当启用补丁时，热补丁进入过渡状态，任务正在趋向于已打补丁的状态。通常，这个过渡状态可以在几秒钟内完成。当禁用补丁时，相同的序列发生，只是任务从已打补丁的状态收敛到未打补丁的状态。

中断处理程序继承了它中断的任务的已打补丁状态。对于派生的任务也是如此：子任务继承了父任务的已打补丁状态。

热补丁使用了几种互补的方法来确定何时可以安全地打补丁任务：

  • 第一种最有效的方法是检查正在休眠任务的堆栈。如果给定任务的堆栈上没有受影响的函数，那么该任务将被打补丁。在大多数情况下，这将在第一次尝试中打补丁大部分或所有的任务。否则，它将定期尝试。如果体系结构具有可靠的堆栈（HAVE_RELIABLE_STACKTRACE），则此选项才可用。

  • 如果需要，第二种方法是内核退出切换。当任务从系统调用返回到用户空间、从用户空间中断返回或从信号返回时，任务将被切换。它在以下情况下很有用：

    • 打补丁I/O密集型用户任务，它们正在受影响的函数上休眠。在这种情况下，您必须发送SIGSTOP和SIGCONT以强制其退出内核并打补丁。

    • 打补丁CPU密集型用户任务。如果任务高度CPU密集，则下次被IRQ中断时它将被打补丁。

  • 对于空闲的“swapper”任务，因为它们永远不会退出内核，它们在空闲状态之前有一个klp_update_patch_state()调用，这使它们在CPU进入空闲状态之前可以被打补丁。

    （注意，目前还没有针对kthreads的这种方法。）

没有HAVE_RELIABLE_STACKTRACE的体系结构完全依赖于第二种方法。很可能一些任务仍在使用旧版本的函数运行，直到该函数返回。在这种情况下，您必须向任务发送信号。这尤其适用于kthreads。它们可能不会被唤醒，需要被强制唤醒。有关更多信息，请参见下文。

除非我们能想出另一种打补丁kthreads的方法，否则没有HAVE_RELIABLE_STACKTRACE的体系结构不被认为是内核热补丁的完全支持。

/sys/kernel/livepatch/<patch>/transition文件显示了补丁是否处于过渡状态。在给定时间内只能有一个补丁处于过渡状态。如果任何任务卡在初始补丁状态，补丁可以无限期地保持在过渡状态。

过渡可以通过在过渡进行中写入/sys/kernel/livepatch/<patch>/enabled文件的相反值来被撤销并有效地取消。然后所有任务将尝试重新收敛到原始的补丁状态。

还有一个/proc/<pid>/patch_state文件，可用于确定哪些任务正在阻止补丁操作的完成。如果补丁处于过渡状态，此文件显示0表示任务未打补丁，1表示任务已打补丁。否则，如果没有补丁处于过渡状态，它显示-1。任何阻止过渡的任务都可以通过SIGSTOP和SIGCONT信号来强制它们改变打补丁状态。尽管这可能对系统有害。向所有剩余的阻止任务发送一个虚假信号是一个更好的选择。实际上并没有发送正确的信号（信号挂起结构中没有数据）。任务被中断或唤醒，并被强制改变打补丁状态。虚假信号每15秒自动发送一次。

管理员还可以通过/sys/kernel/livepatch/<patch>/force属性影响过渡。在那里写入1会清除所有任务的TIF_PATCH_PENDING标志，从而强制任务进入打补丁状态。重要提示！force属性是用于在过渡因为阻止任务而长时间卡住的情况下使用的。管理员应收集所有必要的数据（即这些阻止任务的堆栈跟踪）并请求补丁分发者批准强制过渡。未经授权的使用可能会对系统造成伤害。这取决于补丁的性质，哪些函数被（未）打补丁，以及阻止任务正在休眠的哪些函数（/proc/<pid>/stack可能在这里有所帮助）。当使用force功能时，rmmod补丁模块的移除将被永久禁用。如果一个补丁模块被在循环中禁用和启用，就无法保证没有任务在其中休眠。这意味着无限的引用计数。

此外，force的使用可能还会影响将来应用的热补丁，并对系统造成更多伤害。管理员应首先考虑简单地取消过渡（见上文）。如果使用了force，应该计划重新启动，并且不再应用更多的热补丁。

3.1 向新体系结构添加一致性模型支持

要向新体系结构添加一致性模型支持，有几个选项：

  • 添加CONFIG_HAVE_RELIABLE_STACKTRACE。这意味着移植objtool，并且对于非DWARF展开器，还要确保堆栈跟踪代码能够检测到堆栈上的中断。

  • 或者，确保每个kthread在安全的位置调用klp_update_patch_state()。Kthreads通常在一个重复执行某些动作的无限循环中。切换kthread的补丁状态的安全位置将在循环的指定点，那里没有锁被获取，并且所有数据结构处于良好定义的状态。

    当使用工作队列或kthread worker API时，位置是明确的。这些kthreads在通用循环中处理独立的动作。

    对于具有自定义循环的kthreads来说，安全位置必须在逐个案例的基础上小心选择。

    在这种情况下，没有HAVE_RELIABLE_STACKTRACE的体系结构仍然可以使用一致性模型的非堆栈检查部分：

    • 当用户任务穿越内核/用户空间边界时打补丁；和

    • 在它们指定的打补丁点上打补丁kthreads和空闲任务。

    这个选项不如选项1好，因为它需要向用户任务发送信号并唤醒kthreads来打补丁。但对于那些尚未具有可靠堆栈跟踪的体系结构来说，这仍然可以是一个很好的备用选项。

4. Livepatch 模块

Livepatch 使用内核模块进行分发，参见 samples/livepatch/livepatch-sample.c。

该模块包括我们想要替换的函数的新实现。此外，它定义了一些描述原始实现和新实现之间关系的结构。然后，当加载 livepatch 模块时，有代码使内核开始使用新代码。同时，还有代码在移除 livepatch 模块之前进行清理。所有这些将在接下来的章节中详细解释。

4.1. 新函数

通常，函数的新版本只是从原始源代码中复制过来。一个好的做法是为它们添加前缀，以便它们可以与原始函数区分开来，例如在回溯中。此外，它们可以声明为静态，因为它们不会直接调用，也不需要全局可见性。

补丁仅包含实际修改的函数。但它们可能需要访问原始源文件中仅在本地可访问的函数或数据。这可以通过生成的 livepatch 模块中的特殊重定位部分来解决，详细信息请参见 Livepatch 模块 ELF 格式。

4.2. 元数据

补丁由几个结构描述，将信息分为三个级别：

  • 对于每个修补的函数，定义了 klp_func 结构。它描述了特定函数的原始实现和新实现之间的关系。

    该结构包括原始函数的名称（作为字符串）。函数地址是在运行时通过 kallsyms 找到的。

    然后它包括新函数的地址。它是通过直接分配函数指针来定义的。请注意，新函数通常在同一源文件中定义。

    作为可选参数，可以使用 kallsyms 数据库中的符号位置来消除相同名称的函数。这不是数据库中的绝对位置，而是它仅针对特定对象（vmlinux 或内核模块）被发现的顺序。请注意，kallsyms 允许根据对象名称搜索符号。

  • klp_object 结构在同一对象中定义了一组修补的函数（klp_func 结构）。其中对象可以是 vmlinux（NULL）或模块名称。

    该结构有助于将每个对象的函数分组和处理在一起。请注意，修补的模块可能在修补本身之后加载，并且相关函数可能仅在可用时才被修补。

  • klp_patch 结构定义了一组修补的对象（klp_object 结构）。

    该结构一致地处理所有修补的函数，并最终同步处理。只有当找到所有修补的符号时，整个补丁才会被应用。唯一的例外是尚未加载的对象（内核模块）的符号。

    有关补丁如何在每个任务基础上应用的更多详细信息，请参见“一致性模型”部分。

5. Livepatch 生命周期

Livepatch 可以通过五个基本操作来描述：加载、启用、替换、禁用、移除。

其中替换和禁用操作是互斥的。它们对于给定的补丁具有相同的结果，但对于系统而言则不然。

5.1. 加载

唯一合理的方法是在加载 livepatch 内核模块时启用补丁。为此，在 module_init() 回调中必须调用 klp_enable_patch()。主要有两个原因：

首先，只有模块可以轻松访问相关的 klp_patch 结构。

其次，当补丁无法启用时，错误代码可能会被用来拒绝加载模块。

5.2. 启用

通过在 module_init() 回调中调用 klp_enable_patch() 来启用 livepatch。系统将在此阶段开始使用修补函数的新实现。

首先，根据它们的名称找到修补函数的地址。在“新函数”部分提到的特殊重定位将被应用。相关条目将在 /sys/kernel/livepatch/<name> 下创建。当任何上述操作失败时，补丁将被拒绝。

其次，livepatch 进入过渡状态，任务正在收敛到修补状态。如果原始函数首次被修补，将创建一个特定于函数的 klp_ops 结构，并注册一个通用的 ftrace 处理程序。此阶段由 /sys/kernel/livepatch/<name>/transition 中的值 '1' 表示。有关此过程的更多信息，请参见“一致性模型”部分。

最后，一旦所有任务都已被修补，'transition' 值将变为 '0'。

  • [1] 请注意，函数可能会被多次修补。对于给定函数，ftrace 处理程序只注册一次。进一步的修补只是向 struct klp_ops 的 func_stack 列表添加一个条目。通过 ftrace 处理程序选择正确的实现，请参见“一致性模型”部分。

    因此，强烈建议使用累积 livepatch，因为它有助于保持所有更改的一致性。在这种情况下，函数可能在过渡期间仅被修补两次。

5.3. 替换

所有已启用的补丁可能会被具有 .replace 标志的累积补丁替换。

一旦启用新补丁并且“过渡”完成，那么与被替换的补丁相关的所有函数（klp_func 结构）将从相应的 struct klp_ops 中移除。当相关函数未被新补丁修改且 func_stack 列表为空时，也将取消注册 ftrace 处理程序并释放 struct klp_ops。

有关更多详细信息，请参见原子替换和累积补丁。

5.4. 禁用

通过向 /sys/kernel/livepatch/<name>/enabled 写入 '0'，可以禁用已启用的补丁。

首先，livepatch 进入过渡状态，任务正在收敛到未修补状态。系统开始使用先前启用的补丁的代码，甚至使用原始代码。此阶段由 /sys/kernel/livepatch/<name>/transition 中的值 '1' 表示。有关此过程的更多信息，请参见“一致性模型”部分。

其次，一旦所有任务都已被取消修补，'transition' 值将变为 '0'。与即将禁用的补丁相关的所有函数（klp_func 结构）将从相应的 struct klp_ops 中移除。当 func_stack 列表为空时，也将取消注册 ftrace 处理程序并释放 struct klp_ops。

第三，销毁 sysfs 接口。

5.5. 移除

仅当没有模块提供的函数的用户时，模块移除才是安全的。这就是为什么强制功能永久禁用移除的原因。只有当系统成功过渡到新的补丁状态（已修补/未修补）而没有被强制时，才能保证没有任务在旧代码中睡眠或运行。

6. Sysfs

有关已注册补丁的信息可以在 /sys/kernel/livepatch 下找到。可以通过在此处写入来启用和禁用补丁。

/sys/kernel/livepatch/<patch>/force 属性允许管理员影响修补操作。

有关更多详细信息，请参见 Documentation/ABI/testing/sysfs-kernel-livepatch。

7. 限制

当前的 Livepatch 实现有几个限制：

  • 只有可以被跟踪的函数才能被修补。

    Livepatch 基于动态 ftrace。特别是，实现 ftrace 或 livepatch ftrace 处理程序的函数无法被修补。否则，代码将陷入无限循环。通过将有问题的函数标记为 "notrace" 来防止潜在的错误。

  • 仅当动态 ftrace 位于函数的最开始位置时，Livepatch 才能可靠工作。

    在修改堆栈或函数参数之前，函数需要被重定向。例如，在 x86_64 上，livepatch 需要使用 -fentry gcc 编译器选项。

    一个例外是 PPC 端口。它使用相对寻址和 TOC。每个函数在调用 ftrace 处理程序之前必须处理 TOC 并保存 LR。此操作在返回时必须被还原。幸运的是，通用 ftrace 代码也有同样的问题，所有这些都在 ftrace 级别上处理。

  • 使用 ftrace 框架的 Kretprobes 与被修补的函数存在冲突。

    Kretprobes 和 livepatches 都使用修改返回地址的 ftrace 处理程序。第一个使用者胜出。当处理程序已被另一个使用时，探测或补丁将被拒绝。

  • 当代码被重定向到新实现时，原始函数中的 Kprobes 将被忽略。

    目前正在进行工作以添加关于此情况的警告。