[論文レビュー] Lightweight User-Space Record And Replay

Rumsevicius, Ugnius, Venkateshwaran, Siddhanth+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2016

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

この論文では、カーネルの変更や広範なコードインストルメンテーションを必要とせず、標準のx86/x86-64ハードウェアおよびカーネル上で、変更のないユーザー空間アプリケーションの低遅延記録と決定的再実行を可能にする、軽量なユーザー空間のレコード・アンド・リプレイシステムRRを提示する。ptraceによるシステムコール記録、ハードウェアパフォーマンスカウンタによる正確なイベントタイミング、seccomp-bpfとperfコンテキストスイッチイベントを用いた新規のシステムコールバッファリング最適化を組み合わせることで、RRは実世界のワークロードで2倍未満の遅延で実現している。

ABSTRACT

Browsers are the main way in which most users experience the internet, which makes them a prime target for malicious entities. The best defense for the common user is to keep their browser always up-to-date, installing updates as soon as they are available. Unfortunately, updating a browser is disruptive as it results in loss of user state. Even though modern browsers reopen all pages (tabs) after an update to minimize inconvenience, this approach still loses all local user state in each page (e.g., contents of unsubmitted forms, including associated JavaScript validation state) and assumes that pages can be refreshed and result in the same contents. We believe this is an important barrier that keeps users from updating their browsers as frequently as possible. In this paper, we present the design, implementation, and evaluation of Sinatra, which supports instantaneous browser updates that do not result in any data loss through a novel Multi-Version eXecution (MVX) approach for JavaScript programs, combined with a sophisticated proxy. Sinatra works in pure JavaScript, does not require any browser support, thus works on closed-source browsers, and requires trivial changes to each target page, that can be automated. First, Sinatra captures all the non-determinism available to a JavaScript program (e.g., event handlers executed, expired timers, invocations of Math.random). Our evaluation shows that Sinatra requires 6MB to store such events, and the memory grows at a modest rate of 253KB/s as the user keeps interacting with each page. When an update becomes available, Sinatra transfer the state by re-executing the same set of non-deterministic events on the new browser. During this time, which can be as long as 1.5 seconds, Sinatra uses MVX to allow the user to keep interacting with the old browser. Finally, Sinatra changes the roles in less than 10ms, and the user starts interacting with the new browser, effectively performing a browser update with zero downtime and no loss of state.

研究の動機と目的

• カーネルの変更や広範なコードインストルメンテーションを伴わず、実用的で低遅延な変更のないLinuxユーザー空間アプリケーションのレコード・アンド・リプレイを可能にすること。
• 具体的には、ptrace、ハードウェアパフォーマンスカウンタ、seccomp-bpf、perfコンテキストスイッチイベントといった、既存のハードウェアおよびOS機能を同定・活用し、完全にユーザー空間でのソリューションを構築すること。
• seccomp-bpfとperfコンテキストスイッチイベントを用いた新規のシステムコールバッファリング最適化により、ptraceによるコンテキストスイッチに起因する性能ボトルネックを低減すること。
• データレースや非同期シグナルといった非決定的動作が存在するにもかかわらず、一般のx86/x86-64システムと標準カーネル上で決定的再実行が可能であることを示すこと。
• リバース実行デバッグや複雑なアプリケーションのフォレンジック分析を支援する生産環境向けのオープンソースフレームワークを提供すること。

提案手法

• システムコールのエントリおよびエグジットを監視・記録するためにptraceを用い、レジスタおよびメモリ状態の変化をキャプチャする。
• データレースの非決定的動作を排除するため、単一スレッド実行を強制し、再実行時に正確なユーザー空間状態およびメモリレイアウトを保持する。
• ハードウェアパフォーマンスカウンタを活用して、カーネルブロッキングを検出し、正確な再実行タイミングに非同期イベント（例：シグナル、コンテキストスイッチ）を配信する。
• seccomp-bpfを用いて特定のシステムコールに対してptraceトラップを抑制するシステムコールバッファリング最適化を実装し、高コストなコンテキストスイッチを排除する。
• perfコンテキストスイッチイベントを用いて、スレッドがカーネルでブロッキングしていることを検出し、再実行中の他のスレッドの効率的なスケジューリングを可能にする。
• システムコールそのものを実行せずに、ユーザー空間状態と実行のみを再実行し、ファイルディスクリプタやシグナルなどのカーネル可視的効果を再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーネルの変更や広範なコードインストルメンテーションを伴わず、完全にユーザー空間で実装可能な実用的で低遅延のレコード・アンド・リプレイシステムを構築できるか？
• RQ2 このようなシステムを、一般のx86/x86-64プラットフォーム上で実現するために必要なハードウェアおよびOS機能は何か？
• RQ3 seccomp-bpfとperfコンテキストスイッチイベントを用いたシステムコールバッファリングにより、ptraceによるコンテキストスイッチに起因する性能ボトルネックを解消できるか？
• RQ4 単一スレッド実行モデルは、並行バグの検出にどのような影響を及ぼし、カバレッジを向上させるために拡張可能か？
• RQ5 Firefox、QEMU、Sambaなどの実世界の複雑なアプリケーションにおいて、このようなシステムの性能特性はいかなるものか？

主な発見

• RRは、重要な実世界ワークロードにおいて、記録および再実行の遅延が2倍未満に抑えられ、実用的な性能を実証している。
• seccomp-bpfとperfコンテキストスイッチイベントを用いたシステムコールバッファリング最適化により、ptraceに起因するコンテキストスイッチの大部分が排除され、大幅な遅延低減が達成された。
• RRは、Firefox、Samba、QEMU、LibreOffice、Wineといった複雑で変更のないアプリケーションを、高い忠実度で記録および再実行できている。
• このアプローチは、特にユーザー空間からアクセス可能な決定的動作を示すハードウェアパフォーマンスカウンタを備えた最新のx86/x86-64システムでのみ実現可能である。
• 本システムは、ptrace、perf、seccomp-bpfといった既存の機能を再利用することで、新たなハードウェアやカーネル変更なしにレコード・アンド・リプレイシステムを構築可能であることを示している。
• RRは生産環境でリバース実行デバッガの基盤として採用されており、実世界での実用性と安定性を実証している。