处理器时间侧信道攻防技术综述

现代处理器优化机制众多,设计人员在追求性能提升时,往往忽略背后的安全风险。时间侧信道攻击因其影响面广且隐蔽性好已成为最主要的安全威胁之一。随着瞬态执行攻击的出现,时间侧信道攻击的能力被进一步扩展,计算系统的安全基础被动摇。为此,处理器厂商及安全人员提出了大量防御机制。这些机制具有不同的防护能力及性能开销。与此同时,新的瞬态执行漏洞和隐蔽信道也不断被发现,已提出的防御机制被不断突破。围绕处理器时间侧信道攻防技术的博弈日益激烈。本文从基本攻击原理出发,对现有时间侧信道攻击进行了归纳总结,并在此基础上进一步分析了相关防御机制的保护能力和性能瓶颈,从而梳理出时间侧信道攻防技术的发展趋势,为未来软硬件系统开发和安全技术探索提供参考。

ARM架构下硬件辅助的内存隔离机制综述

内存隔离是一项缓解软件潜在安全危害、提高软件安全性和鲁棒性的重要防御机制。内存隔离机制保护不同组件中的敏感数据,强制敏感数据仅由组件信任的代码访问。虽然软件漏洞无法避免,但内存隔离机制可以在代码存在漏洞时依旧提供有效的敏感数据隔离保护,使得攻击者无法直接窃取或篡改被隔离的数据。出于性能考虑,依靠硬件辅助的内存隔离机制得到了广泛重视,该方向力求在提供有效安全保证的前提下,利用硬件大幅减少内存隔离机制给软件带来的额外开销。因此大量研究都着力于挖掘硬件潜力,从而支持高效、安全和完备的内存隔离机制。本文针对主流架构之一的ARM,系统性地总结了近年ARM架构硬件辅助的内存隔离机制的相关研究,并进一步归纳出它们的研究现状和适用场景。最后,针对现有硬件辅助内存隔离机制面临的安全现状和新场景,展望了该领域未来的发展方向。

二进制翻译技术综述

随着信息技术的快速发展,涌现出各种新型处理器体系结构.新的体系结构出现为处理器多样化发展带来机遇的同时也提出了巨大挑战,需要兼容运行已有软件,确保较为丰富的软件生态群.但要在短期内从源码编译构建大量生态软件并非易事,二进制翻译作为一种直接从二进制层面迁移可执行代码技术,支持跨平台软件兼容运行,既扩大了软件生态群,又有效降低了应用程序与硬件之间的耦合度.近年来,二进制翻译技术研究取得了较大进展.为总结现有成果并分析存在的不足,首先介绍二进制翻译技术的分类以及典型的二进制翻译系统,之后从指令翻译方法、关键问题研究、优化技术等方面分别进行分析总结,接着阐述二进制翻译技术的核心应用领域,最后对二进制翻译技术的潜在研究方向进行展望.

基于本体论和多主体的信息检索服务器

Internet技术的发展为人们提供了方便快捷的信息获取手段 ,然而要从如此庞大且瞬息万变的 Internet上检索信息 ,需要快速准确的信息检索工具的协助 .提出了一种利用多智能主体和本体论 (ontology)理论设计的信息检索服务器 .它集成了界面主体、预处理主体、管理主体、信息处理主体和具有移动性的信息搜集主体 ,并利用ontology对文档进行领域分类 ,同时对用户的查询信息进行规范 .该系统能够比较及时地反映网络中信息的动态变化 。

代码翻译中PERFORM和GOTO语句复合结构的变换

传统语言COBOL从诞生至今已有近50年历史,现存约有1 000亿行代码是用COBOL编写的.维护这些遗产代码的一个有效方法是将其翻译成现代语言,例如Java.其中将COBOL语言中GOTO和PERFORM语句及其复合控制结构消除是翻译过程中的一个关键步骤.提出一种利用switch,while语句来消除GOTO和PERFORM复合控制结构的方法,实现了程序的等价变换.该方法不改变程序的控制结构,保持其可读性,并将代码膨胀率控制到2倍左右.该方法已在所开发的C2J翻译系统中进行应用,通过了400万行实际商用程序的测试,结果证明,该方法是正确、有效的.

基于模块化的移动Agent及其调度方法

网络促进了信息的交流和数据的共享,人们正在研究和探索新的网络编程技术以使其更加有效地发挥作用.通过将执行代码从客户端传送至服务器的这种新的Client/Server程序执行思想已得到广大从事智能网络服务的研究和开发人员的认可,基于移动Agent的计算被视为该思想的一个代表.着眼于Agent的迁移机制的研究,为移动Agent设计了一个模块化结构模型,提出一种适合于Agent迁移过程实现和并发执行的调度方法,合理地运用模块复用的思想,减少了不必要的数据及代码迁移,缩短了移动Agent的平均执行时间.

控制流完整性的发展历程

控制流劫持是一种危害性极大的攻击方式,攻击者能够通过它来获取目标机器的控制权,甚至进行提权操作,对目标机器进行全面控制。当攻击者掌握了被攻击程序的内存错误漏洞后,一般会考虑发起控制流劫持攻击。早期的攻击通常采用代码注入的方式,通过上载一段代码,将控制转向这段代码执行。

二进制翻译中的库函数处理

在二进制翻译技术中,快速有效地处理系统库函数调用是一个值得研究的课题·基于动静结合二进制翻译技术,提出一种对系统库函数进行分类处理的算法,能够很好地利用动静结合二进制翻译的技术特点和目标机本地的函数调用约定,减少不必要的内存操作,提高源二进制代码在目标机上的执行效率·该算法能够在系统库函数和系统调用之间灵活地切换,并且对于系统库函数有较强的适用性·经过大量的测试验证,在应用该算法后,Digital Bridge Version2系统不仅能够正确有效地处理系统库函数调用,并且性能有了很大的改善·

二进制翻译中的标志位优化技术

在二进制翻译技术中 ,如何有效降低对源指令集体系结构标志位的模拟开销是一个值得研究的课题 分别针对二进制翻译中的解释执行和动态翻译 ,提出了相应的标志位模拟优化算法 ,能够有效地减少翻译生成的目标代码数量 ,提高目标代码性能 经过大量测试验证 ,在应用该标志位模拟优化算法后 ,DigitalBridge系统翻译生成的目标代码量是源体系结构目标代码量的 12 0 % ,而没有应用该优化算法时该比例是 2 5 0 % ,作为对比系统UQDBT系统的比例是 15 0 %

二进制翻译中解析多目标分支语句的图匹配方法

二进制翻译技术现已成为实现软件移植的重要手段．在二进制翻译系统中，如何有效地挖掘程序的代码并对其进行高效翻译是影响系统性能的关键，而二进制代码中间接跳转语句的存在，使得静态时难以得到它的跳转目标，影响了代码的发掘率和最终的翻译效果．在通常的应用程序中，间接跳转指令经常用来实现多目标分支语义，分支目标存放在跳转表中．提出了一种解析多目标分支语句及其跳转表的方法，能够挖掘出间接跳转的目标，进而对其进行有效翻译并提高二进制翻译系统的性能．该方法提出使用语义图来对预期语义进行刻画和表达．语义图能够对考察的指令序列进行语义提取，识别出与预期语义相匹配的指令流，还可以应对编译器在不同优化选项下生成的指令，并能有效滤除不相关指令带来的干扰．实验结果表明，对于SPEC CINT2000中的部分测试用例，代码翻译的覆盖率可以提高9．85％～22．13％，相应带来的性能提升可达到8．30％～17．71％，而使用的算法时间复杂度仅为O（1）．

优化动态二进制翻译器DigitalBridge

讨论动态二进制翻译器DigitalBridge的动态优化设计与实现,给出了基于edge profile的热路径选择算法FHFS,在热路径上实施了基于模式匹配的指令组合优化翻译和标志位延迟计算的优化。实验结果表明,优化后动态翻译的性能平均提高40%。

基于动态反馈的标志位线性分析算法

二进制翻译可以用于解决遗产代码的迁移问题,也可以实现不同硬件平台之间软件的通用.如果源平台通过标志位进行条件跳转,那么如何处理标志位就成为翻译中的一个重要问题,对翻译的代码质量起着决定性作用.提出标志位线性分析算法,复杂度为线性,基本上能够消除所有的标志位冗余计算,提高了动态执行的效率.基于动态profiling技术,消除了间接跳转的基本块标志位冗余计算.分析了spec2000中的大部分整点测试例子,实验结果表明,EfLA(Eflag linear analysis)算法对于大运算量的程序是非常有效的.

二进制翻译应用级异常处理

二进制翻译可以用于解决遗产代码的迁移问题,也可以实现不同硬件平台之间软件的通用·异常处理是二进制翻译的一个重要方面,如何解决异常处理和二进制翻译效率的矛盾是问题的关键·提出了在库函数包装层面处理主动异常和被动异常的方法,一个算法可以高效处理信号异常,另一个算法使用栈展开技术,得到调用地址用于处理try catch异常·实验结果表明,上述方法能够正确处理异常函数,同时对于普通应用程序加入异常处理机制之后性能并不受影响·

动态二进制翻译中的代码Cache管理策略

就代码cache的管理提出了CPB(cache-piece-block)策略,它具有全清空、FIFO和LRU策略的优点,并且考虑到程序的时间空间局部性和cache替换开销,从而实现了对代码cache的高效管理。

提高堆数据局部性的动态池分配技术

动态内存分配在现代程序中被广泛使用.通用的内存分配器通常关注于降低运行时开销和内存利用率,而在发掘所分配对象之间的特性方面有所欠缺.文中展示了一个低开销的动态优化技术"动态池分配".它在运行时构造存储形状图,从中发掘动态分配对象之间的亲缘性,把具有亲缘性的对象聚集到一段内存区域(称为内存池)里,改善了它们的数据布局.作者在实际机器上实现了动态池分配原型系统,并在GCC--O3编译的一些大量使用堆数据的SPEC 2000和2006程序上进行了测试.原型系统在两台实际机器上获得了13.1%和11.8%的平均加速比,对一些程序的加速高达82.2%.此外,作者还研究了CPU的高速缓存大小对池分配效果的影响.

Cobol到Java翻译中的数据类型转换方法

将Cobol代码迁移到新的平台,如Java是减轻Cobol代码维护负担的一个有效方法·怎样将Cobol数据平滑迁移到新平台则是必须解决的基本问题之一·以前的大部分研究工作都直接将Cobol数据映射到现代程序设计语言中的基本数据类型,比如int,float等·但是,这种简单映射并不能保持原来的Cobol语义,从而导致目标码并不能与原来的代码运行一致·首先利用数据抽象技术对Cobol数据进行初步建模,在此基础上进一步提出了一个纯Java的功能等价的封装方法,可以有效地将Cobol数据描述映射到Java类型系统·该方法已经在一个Cobol2Java翻译系统———C2J翻译器中得到实现,并且应用于一个近400万行的真实银行商用系统·实验结果表明,此方法可以在保持功能等价的情况下,将Cobol数据无需手工干预地迁移到Java平台·

定浮点数据算术及其优化

定点算法对于商业计算非常重要,但由于成本和功耗的限制,某些嵌入式芯片尚不能提供浮点部件。针对这些情况,我们必须寻求支持整数ALU的十进制定浮点算数的解决方案。本文提出一种新的基于十进制编码的长整数方法以进行小数运算。实验表明我们的数据模型和算法其性能优于 Java BigDecimal,在实际商业应用中获得了 20％加速。

二进制翻译中系统库函数的分类处理方法

如何处理库函数调用问题直接关系到二进制翻译系统的性能。提出了一种系统库函数的分类处理方法,成功地解决了二进制翻译系统中的库函数调用处理问题。

二进制翻译中的X86浮点栈处理

二进制翻译系统是一种基于软件的跨平台代码迁移系统,它将一种体系结构的二进制代码翻译成另一种体系结构的二进制代码.二进制翻译可以用于解决遗产代码的迁移问题,也可以实现不同硬件平台之间软件的通用.浮点栈的处理已成为以X86为源的二进制翻译的研究中的关键性问题之一,如何处理X86浮点栈问题直接关系到以X86为源的二进制翻译系统的性能.针对X86浮点寄存器栈的特征,提出了一种扩展虚拟栈(extending virtual stack)处理方案.它采用归一的方法,保证了每个基本块中的运算所涉及到的浮点寄存器可以直接映射到目标机器中的浮点寄存器,确保了翻译的效率,并利用翻译时的分析避免了在入口处不必要的判断;同时还给出了在基本块入口处判别一个基本块是否会出现浮点栈上溢和下溢的充分必要条件,为生成更加高效的代码提供了条件.实验表明,它能够在保证正确实现其功能的前提下,获得更好的执行效率.

自动化的Cobol 2 Java遗产代码迁移技术

随着下一代网格环境的来临,如何将遗产代码迁移到新的平台成为一个亟待解决的问题,该文提出了一种将Cobol源代码自动地,功能等价地迁移到Java平台的方法。