C08: sandbox

tags: sysprog2017

主講人: jserv / 課程討論區: 2017 年系統軟體課程

返回「進階電腦系統理論與實作」課程進度表

預期目標

• 研讀 形式化驗證，並透過 cbmc 做 model checking 的練習
• 探討 隔離執行環境的建構與應用，思考加密貨幣領域的系統軟體
• 深入學習 GNU Toolchain，涵蓋 GDB 和 GProf
• 延伸 simulator 作業，培養軟體設計的技巧和學習嚴謹的系統分析
• 多人協作的練習

隔離執行環境的建構

• 詳閱 隔離執行環境的建構與應用 並跟著練習操作

• 自我檢查項目

• Trusted Execution Environment (TEE) 的應用為何？(舉出共筆以外的真實世界案例)
• 是否已詳細閱讀 Moxie 處理器架構的 Architecture 文件？能否用 Moxie 組合語言寫出迴圈版本的 Fibonacci 數列程式？
• binutils, gcc, glibc, qemu 到 libffi 這些專案的作用為何？
• Intel 的 Software Guard Extensions 關鍵特性為何？並舉出共筆以外的應用案例
• moxiebox 打造出隔離執行 (sandbox) 的運作環境該如何與外界溝通？列出對應的程式碼並解讀
  • 提示: mmap 系統呼叫
• 是否已詳閱文件 sandbox execution environment 呢？解釋 法國的加密貨幣硬體錢包公司 Ledger 的 BOLOS 運作原理
• 何謂 cross compiler 呢？我們為何需要？
• ELF 執行檔格式包含哪些 section 呢？又在哪裡可見到詳細描述？
• 是否已掌握 GNU gprof 的使用？運作原理為何？
  • 提示: 參閱 raytracing 作業規範和共筆成果
• 是否已操作 remote GDB 呢？如何在執行時期檢驗載入的 ELF 執行檔裡頭 .text 和 .data section 內容呢？
• 是否詳讀文件 遠端除錯 並記錄心得呢？是否在 GNU/Linux 實際照著操作？又，遇到什麼問題呢？
  • 提示: 硬體架構以不同，文章提及 IA32，但現在已是 x86_64 架構
• GDB 命令如 step 是如何透過 GDB stub 傳遞到 moxiebox 裡頭呢？兩邊的通訊協定又為何？
  • 提示: 需要對照看 moxiebox 的 src/sandbox.cc 檔案內容和 GDB Remote Serial Protocol
• 是否理解 GDB Macro 和 Command Files 呢？能否透過 moxiebox 進行練習呢？

Model Checking

• 詳閱 形式化驗證 和 cbmc，並依據裡頭的說明，實際在 GNU/Linux 操作

• 自我檢查項目

• cbmc 的作用為何？在什麼領域會需要呢？
• 能否簡介自動機理論 (automata theory) 呢？
• model checking 中局部狀態表示每個主題執行通訊協定的過程，而所有局部狀態構成全域狀態，每個局部狀態的改變由主體的訊息接收、發送來觸發，能否舉出實際案例說明？
• 是否已編譯 cbmc 並用來分析 C 程式呢？若是，舉出詳細的操作和你的解讀
  • 務必詳閱 CBMC: Bounded Model Checking for C/C++ and Java: A Short Tutorial
• 以 moxiebox 為例，能否使用 cbmc 來找出程式碼實作的缺陷 (或者自己創造) 呢？
• 在 GitHub 專案中找出使用 model checking 的案例，並且具體說明其作用 (當然要親自實驗)

第 6 週作業回顧

• 見賢思齊焉，見不賢而內自省也: simulator 作業列表
  • 詳閱並且指出具體優缺點

• 自我檢查項目

• 是否已知曉搭配 computed goto 實作更高效的 opcode dispatch 呢？舉例說明並且附上效能分析
  • 運用 threaded code 的技巧，並以對應的 direct threading 解釋
• 何謂 tail recursion 呢？舉出具體而微的案例並用 perf 解釋細部差異 (特別是 cycle count 的落差)
• 是否理解 Fibonacci 數列求值的多種實作方式？若是，詳述之
• GCC 如何從 3-address code 轉換，又如何轉換出給定 ISA 的組合語言程式？
• 目前採用的 LP64 資料模型下，int 實質為 32-bit，而
  $fib(46)$ 尚在 32-bit 能表示的數值範圍內，但
  $fib(47)$ 該如何處理？
• Fibonacci sequence 在真實世界中究竟有何應用？
  • 當然不能舉「用來刁難學生」這種案例
• Fibonacci Q-Matrix 如何運作？
• 如何設計 CPU profiler 呢？
• 如果我們也想對 full-stack-hello 提出 GDB 支援，該如何實作 GDB stub 呢？

作業要求

無論完成度多高，都該在指定的共筆頁面持續有進度，並且要提供解說的錄影 (上傳到 YouTube，設定「公開」權限，好東西就要分享給大家)，在 11 月 24 日 07:00AM 前完成，以便接受教師和其他同學的檢視。

• 在 GitHub 上 fork moxiebox，並設定協作者的寫入權限
• 編輯 2017 年秋季班第一次分組表，新增兩個共筆頁面: (請依循給定格式，注意空白)
  • 自我檢查事項(sandbox) : 答覆上述各節的「自我檢查事項」，務必詳盡回覆，誠實面對自己^TM
  • 開發紀錄(sandbox) / GitHub / YouTube: 針對下方作業要求，詳實記錄開發進度和討論，不要變成「兩個和尚沒水喝」
• 在 moxiebox 的 tests 目錄中，比照 simulator 作業要求，依序實作以下 Fibonacci 數列求值方法: (可用 C 程式實作，但需要附上詳盡的效能分析，善用 GNU gprof 和 GDB)
  • recursive
  • iterative
  • Tail recursion
  • Q-Matrix
  • Fast doubling (加上 clz 加速)
• 善用 GNU plot 製圖和解讀
• 注意
  $Fib(46)$ 之後的數值會超過 2³² 可表達的範圍，需要設計有效的數值表示機制來處理 (如用兩個 32-bit 暫存器保存 2⁶⁴ 數值)
• 運用 GDB script/commands 來實作自動化測試和效能分析
  • 注意: moxiebox 沒有 printf 可用，需要思考如何透過 mmap 來比對程式輸出和預期結果，自動化非常重要！
• 額外在 moxiebox 移植 (或者重新實作) 以下程式碼，並且充分驗證 (至少做一項)
  1. ctaes: constant-time AES implementation
  2. constant-time-sorts: constant-execution-time versions of popular sorting algorithms
  3. cst_time_memcmp: onstant time memcmp() function
  4. constant_time_compare: constant time comparison written in C for Python 2.7
  5. CN_String: Stores length for constant time strlen
• 承上，詳述原始程式的演算法和應用場合，並探討在 moxiebox 移植的工作
  • 務必詳閱 dudect: dude, is my code constant time?