Gentoo中文社区

batsom

管理团队

注册时间： 2022-08-03

帖子： 594

个人网站

Gentoo 之 Core Scheduling

Core Scheduling要解决什么问题？

core scheduling是v5.14中新增的功能，下图是内核数据结构为该功能所添加的字段。

为什么有core scheduling呢？因为当开启超线程(HyperThreading)时，一个物理核就变成了两个逻辑核，但，这两个逻辑核还是要共享物理核的某些缓存，这种共享会带来安全问题（例如：MDS、L1TF等）。core scheduling就是要解决 开启超线程(HyperThreading)时所带来的安全问题。

假设，在两个逻辑核上同时在运行进程P1和P2，由于两个逻辑核来源于同一个物理核，两个逻辑核会共享某些资源，这样，P1就可能泄露数据给P2（反之亦然）。怎么解决呢？很简单，core scheduling添加了这种功能：cpu调度器确保， 在同一时刻，绝不让 “不互相信任的进程” 运行在同一个物理核上。对于上面的例子：

1. 如果用户指定了P1和P2互相信任，则，cpu调度器允许，在同一时刻，P1和P2可以运行在同一个物理核上。

2. 如果用户不指定P1和P2互相信任，则，cpu调度器绝不会让P1和P2，在同一个时刻，运行在同一个物理核上。
解释几个名称

本文翻译自 Core Scheduling — The Linux Kernel documentation，文档中出现了“core”, “siblings”等，这里的”core”是指物理核， “siblings”是指开启HT时，所产生的逻辑核。

当开启HT时，一个“core”就变成了两个“siblings”，即，一个物理核会变成两个逻辑核，所以才有我们说的“4核8线程”、“8核16线程”。

此外，当说到“thread”时，其实也是指逻辑核。

可以 cat /proc/cpuinfo 来查看cpu信息

1. processor：每一个核（包括物理核以及由于HT而传送的逻辑核）。在kernel看来，无论物理核还是逻辑核，都是同等的核。

2. physical id：物理socket。同一个physical id上可以有多个物理核。

3. siblings：在该物理socket内，核的总个数（包括物理核以及由于HT而产生的逻辑核）。

4. core id：在该物理socket内，某个物理核的编号。跨物理socket时，core id会重复。

5. cpu cores：在当前物理socket内，物理核的个数。

怎么判断是否开启了HT呢，很简单：如果siblings == 2*(cpu cores)，则开启了HT。

还可以 lscpu 来查看

lscpu可以查看：

1. 物理socket 的个数。

2. 每个物理socket上 物理核的个数。

3. 每个物理核内逻辑核的个数。

Thread(s) per core:  1；每个物理核内，线程的个数。线程就是逻辑核。若开启HT，此处为2。我这里显示1，即并未开启HT。

Core(s) per socket:  2；每个物理socket内，物理核的个数。

Socket(s):           4；物理socket的个数。

再总结下

1. 同一个物理核会因为开启HT而变为两个核（即：两个逻辑核）。

2. 同一个物理核产生的两个逻辑核是可以并行执行某些指令的，但，两个逻辑核还会共享物理核的某些资源。

3. 在同一个时刻，当两个逻辑核执行的指令需要共享的资源时，那么，只能一个逻辑核运行，另一个等待。

以下翻译 Core Scheduling — The Linux Kernel documentation

正文开始

core scheduling允许userspace定义一组task，这一组task共享同一个core。用户或因为安全用例而分组（组内task 不信任 组外task），或因为性能用例而分组（有些workloads可能会从“运行在同一个core上”而受益，因为它们不需要被共享core上的同种硬件资源，或者，有些workloads更倾向于“运行在不同core上”，因为它们需要共享所需的硬件资源）。本文档仅描述安全用例。
Security usecase

cross-HT attack包含了attacker和victim，它们运行在同一个core的不同超线程上。MDS(Microarchitectural Data Sampling) 和 L1TF(L1 Terminal Fault)就是此类攻击。cross-HT attack唯一的彻底解决方案就是禁用超线程（Hyper Threading）。

core scheduling是scheduler的一个特性，它可以减缓（并不是根除）cross-HT attack。通过确保“只有位于用户指定信任组内的task才能够共享同一个core”，core scheudling就可以安全的开启HT。这种 core共享 还可以提高性能，尽管很多现实世界的实际workloads都显示core scheduling确实提高了性能，但，并不能100%确保它总是可以提高性能的。理论上，core scheduling的性能表现至少应该和HT被禁用时一样好。在实践中，绝大部情况也确实如此，但，也并非100%，这是因为在同一个core中，跨2个或更多个cpu 同步(synchronizing)调度决策引入了额外的overhead，尤其是当系统负载较轻时（lightly loaded），overhead就更为明显。相比于SMT-disabled（即关闭HT），total_threads <= N_CPUS/2时core scheduling引入的额外overhead会使得core scheduling表现更差，这里N_CPUS是cpu的总个数。所以，决定开启core scheduling前，你应该先测试workloads的表现。

Usage

core scheduling通过内核选项CONFIG_SCHED_CORE来开启或禁用。利用该特性，userspace定义一组task，希望这些task总是在同一core上被调度（同一个物理核，多个逻辑核）。利用这些信息，scheduler在满足系统调度需求的同时，确保，在同一个时刻，组内task 和 组外task 永远不会在同一个core上同时运行。

可以通过PR_SCHED_CORE prctl接口来开启core scheduling。该接口用于创建core scheduling组，以及从组中增删task。

 #include <sys/prctl.h>
 
int prctl(int option, unsigned long arg2, unsigned long arg3,
        unsigned long arg4, unsigned long arg5);
 
option:
 
    PR_SCHED_CORE
arg2:
 
    Command for operation, must be one off:
 
        PR_SCHED_CORE_GET – get core_sched cookie of pid.
 
        PR_SCHED_CORE_CREATE – create a new unique cookie for pid.
 
        PR_SCHED_CORE_SHARE_TO – push core_sched cookie to pid.
 
        PR_SCHED_CORE_SHARE_FROM – pull core_sched cookie from pid.
 
arg3:
 
    pid of the task for which the operation applies.
arg4:
 
    pid_type for which the operation applies. 
    It is one of PR_SCHED_CORE_SCOPE_-prefixed macro constants. 
    For example, if arg4 is PR_SCHED_CORE_SCOPE_THREAD_GROUP, 
    then the operation of this command will be performed
    for all tasks in the task group of pid.
arg5:
 
    userspace pointer to an unsigned long for
    storing the cookie returned by PR_SCHED_CORE_GET command.
    Should be 0 for all other commands.

进程必须得开启”PTRACE_MODE_READ_REALCREDS”的ptrace访问模式，这样，进程 才能够pull a cookie from a process或 push a cookie to a process。

Building hierarchies of tasks

The simplest way to build hierarchies of threads/processes which share a cookie and thus a core is to rely on the fact that the core-sched cookie is inherited across forks/clones and execs, thus setting a cookie for the ‘initial’ script/executable/daemon will place every spawned child in the same core-sched group.【写的什么鬼，看不懂】。

对于初始的’script/executable/daemon’设置cookie值，则由它们fork/clone/exec的子进程也就位于同一个core-sched组里面啦。

Cookie Transferral

可以在当前task和其他task之间传递cookie。使用PR_SCHED_CORE_SHARE_FROM 或 PR_SCHED_CORE_SHARE_TO 从一个特定的task继承cookie，或者向某个task共享cookie。结合起来，这允许一个简单的程序从位于core-sched的一个task中拖取cookie，然后将该cookie共享给已在运行的task。

Design/Implementation

每个被标记的task都在内核内部分配了一个 cookie。 如Usage中所述，具有相同 cookie 值的task相互信任，并共享同一个core。

基本思想是，每个调度事件都尝试为 core的所有siblings 选择task，以便，在任何时间点，所有选定的运行在同一个core上的task都是可信任的（即：具有相同的 cookie）。 kernel thread被认为总是可信任的。idle task也被认为是特殊的，因为它信任一切，一切也都信任它。

在任何一个core的siblings的调度事件期间，该siblings上的最高优先级的task被挑选出来并分配给调用 schedule()的siblings，如果该siblings有task入队。【写是什么鬼，看不懂。During a schedule() event on any sibling of a core, the highest priority task on the sibling’s core is picked and assigned to the sibling calling schedule(), if the sibling has the task enqueued. 】。对于core的其余siblings，如果siblings在它们自己的rq中有一个可运行的task，则选择具有相同 cookie 的最高优先级的task。如果具有相同 cookie 的task不可用，则选择idle task。 idle task是全局都被信任的。

一旦为core的所有siblings选择了一个task，就会给 选择了新task 的siblings 发送 IPI 。 收到 IPI 的siblings将立即切换到新task。 如果为siblings选择了idle task，则认为该siblings处于force idle状态。force idle的意思是，它的rq上可能有task要运行，但它仍然必须得执行idle task。下一节将详细介绍这一点。

Forced-idling of hyperthreads

scheduler尽其所能的找到彼此信任的task，从而，被选中调度所有task都是core内优先级最高的task。但，某些rq所持有tasks 与 core上最高优先级tasks并不兼容。相比于fairness，优选security，如果siblings的最高优先级的task 和 core范围内（一个core会有多个siblings）最高优先级task无法彼此信任，则，1或多个siblings可能会被强制选择一个低优先级的task。如果某个siblings不存在任何一个可信任的task，则，该siblings就被强制idle。

当选中的最高优先级的task运行时，reschedule-IPI事件会被发送到siblings，强制siblings进入idle。根据VM或普通usermode进程是否运行在HT，这会产生4种情况。

       HT1 (attack)            HT2 (victim)
A      idle -> user space      user space -> idle
B      idle -> user space      guest -> idle
C      idle -> guest           user space -> idle
D      idle -> guest           guest -> idle 

注意，为了更好的性能，我们并不会等待destination cpu(victim)进入idle模式。这是因为发送IPI会使得destination cpu立即从userspace进入kernel模式，或者，如果是guests虚拟机则立即进入VMEXIT。最多，这只会泄露一些无关紧要的调度元信息。还有可能，在某些架构上，IPI收到的可能会非常晚，不过，在x86上，这种情况尚未被观测到。

Trust model

通过给组内的task分配一个标记，即值相同的cookie值，core scheduling在组内的task间维护了信任关系。当启用core scheduling的系统启动时，所有task都被认为是信任彼此的。这是因为core scheduling并没有关于信任关系的任何信息，直到userspace使用上述的接口，kernel才用于组的信任关系。换句话说，所有task都有默认cookie值0，因此所有任务都是彼此信任的。需要避免forced-idling的siblings运行cookie值为0的task。

一旦userspace使用上述接口将task放入某个组，位于同一个组的task就信任彼此，这些task不再信任组外task，组外task也不会再信任它们。

Limitations of core-scheduling

core scheduling尝试确保只有被信任的task才可以同时运行在同一个core上。但，会有一个小的时间窗口，在此期间，不被信任的task也会同时运行在同一个core上，或，kernel和另外一个不被kernel所信任的task同时运行在同一个core上。

IPI processing delays

core scheduling只选择信任的task，让它们在同一个core上同时运行。IPI用于通知siblings要切换到新task上。但，在某些架构上，收取IPI可能存在硬件延迟，在x86上，这尚未被观察到。假设，cpu 1发送IPI，cpu 2是cpu 1的siblings，cpu 1发送了IPI，然后cpu 1上的attacker task开始运行了，但，cpu 2收到IPI太晚了，这就造成了，cpu 1和cpu 2上同时运行的并不是彼此信任的task。尽管，在进入user mode时，cache会被flush，在attacker开始运行之后，siblings上的victim task可能会在cache 和 micro architectural buffers中放置数据（于是attacker就可以访问到），这可能导致数据泄露。

Open cross-HT issues that core scheduling does not solve

1. For MDS

针对 “siblings同时运行user mode代码 和 kernel mode代码” 的攻击，core scheduling无法防护。即使所有的siblings运行的都是彼此信任的task，当kernel代表某个task执行代码时，kernel无法信任运行在siblings上的代码。对于任何siblings cpu组合模式（host模式 或guest模式），这种攻击是可能的。

2. For L1TF

针对 “L1TF guest attackter利用guest或host victim” 的攻击，core scheduling无法防护。这是因为guest attacker 可以构建无效的PTE，由于guest kernel的脆弱性 这种无效的PTE不能被反转。唯一的解决方式就是禁用EPT(Extended Page Tables)。

对于MDS和L1TF，如果guest vCPU被配置为不信任彼此（通过分开打tag的方式），那么，guest到guest的攻击就不存在啦。或者，设置系统管理策略 将guest to guest攻击当做是guest自己的问题。

另外一种解决方式是，让系统中的每一个 不被信任的task 不信任 任何其他 不被信任的task。当然，这会降低 不被信任task 的并行度，不过，这确实 在允许被信任task的进程共享同一个core的同时，解决上述问题。

3. Protecting the kernel (IRQ, syscall, VMEXIT)

不幸的是，core scheduling并不能保护 运行在siblings超线程上的kernel context免受 运行在其他siblings上的kernel context的打扰。解决方式的原型代码已被发布到LKML，以期解决该问题，但，这种窗口能否被实际利用，其所引入的性能overhead是否值的（更不用说，这增加了代码复杂度），依然值得商榷。

Other Use cases

core scheduling的主要用例是在SMT开启的前提下，减轻cross-HT的脆弱性。但，core scheduling还可以用在下面地方

1. 隔离 需要整个core的 task。这方面的例子包括realtime task，使用SIMD指令的task等。

2. 团伙scheduling（gang scheduling），一组task需要一起调度，这种需求也可以使用core scheduling。VM的vCPU就是该方面的一个例子。