memcached + selinux engine

Memcached + SELinux engine

OSS開発勉強会-06

KaiGai Kohei (@kkaigai)
<kaigai@kaigai.gr.jp>

OSS Development Study Meeting-06 1

Memcachedの特徴

Key-Valueストア
<Key>に対応する<Value>を保存/取得するだけの機能
トランザクション、検索式、型定義...など無い！速さこそ正義
分散システム
Memcachedサーバ自体に一切の分散機能は無い
ライブラリがKey値に応じたMemcachedサーバを選択して接続
memcached プロトコル
テキストベースのシンプルなプロトコル
http://code.sixapart.com/svn/memcached/trunk/server/doc/protocol.txt
多くの互換Key-Valueストア
Tokyo Tyrant, Repocached, Flared, KumoFS, ...


Memcachedシステムイメージ
Web-Server

User

Web-Apps PostgreSQL
ライブラリが接続先の
ライブラリが接続先の
Memcachedサーバを選択
Memcachedサーバを選択 libmemcached

Memcached

個々のMemcachedサーバは
個々のMemcachedサーバは
互いに独立にKey-Valueペアを
互いに独立にKey-Valueペアを
格納する
格納する


Memcached 内部構造

GET aaa get_item()

Key-Value
‘xyzxyz’ プロトコル処理部 hash_item * ストレージ

Key-Value
ストレージ
libevent with
New Feature

プロトコル解析部
Key-Valueストレージ
これ、Key-Valueストレージの部分を
モジュール化できるよね？


Memcached Engine (1/2)

Engine Interface v1
次期メジャーバージョン（v1.6.x系）の新機能
typedef struct engine_interface_v1 {
:
/**
* Retrieve an item.
*
* @param handle the engine handle
* @param cookie The cookie provided by the frontend
* @param item output variable that will receive the located item
* @param key the key to look up
* @param nkey the length of the key
* @param vbucket the virtual bucket id
* こんな感じでInterfaceが
こんな感じでInterfaceが
* @return ENGINE_SUCCESS if all goes well 定義されている
定義されている
*/
ENGINE_ERROR_CODE (*get)(ENGINE_HANDLE* handle,
const void* cookie,
item** item,
const void* key,
const int nkey,
uint16_t vbucket);


Memcached Engine (2/2)

オリジナルRFC
Memcache Engine Interface (Dec, 18 2008)
http://code.google.com/p/memcached/wiki/EngineInterface
Engine-Interfaceとは？
Key-Valueペアの管理をプラグインに任せる
何がいいのか？
独自の拡張機能ごとに “memcachedクローン” を作らずに済む
Persistent Storage, Name Space, Access Control, etc...
本体 ⇔ プラグイン間のインターフェースを規定
ENGINE_HANDLE_V1構造体: 本体プラグインの呼び出し
SERVER_HANDLE_V1構造体: プラグイン本体の呼び出し


議論を通じた仕様の変更
socket-fdを取得するServerAPIの追加
SELinuxはgetpeercon(3)にsockfdを与えて、
接続元プロセスの権限 (=security context) を取得するため
SERVER_HANDLE_V1構造体に get_socket_fd() が追加
->delete() の手順を変更
従来の実装
1. ->get() に Key値を与えて呼び出し、本体は item *ポインタを取得
2. ->delete()に item *ポインタを与えてKey-Valueペアの削除
問題点
->get()内で評価すべきパーミッションは、
“read権限”なのか、それとも”delete”権限なのか、特定できない
修正後の実装
->delete() にKey値を与えるよう ENGINE_HANDLE_V1構造体を修正


Memcached and Security
(3) Not run as root
(3) Not run as root
Memcached

(2) SASL auth,
(2) SASL auth, (1) Firewalling,
ififneeded Web Apps (1) Firewalling,
needed always
always
Web Server

できる事はほとんど何もない
絶対に外部ネットワークから接続可能にしちゃダメ
一応、SASL認証で接続の可否を決める事はできる
あと、root権限で走らせてはならない
Memcached Security; by Dustin Sallings
http://dustin.github.com/2010/08/08/memcached-security.html


SELinuxによるアクセス制御
“機密” 情報は、どこに格納
SELinux

Security しても“機密”情報として扱う
Policy

Filesystem
Networks

classified unclassified
information information

memcached RDBMS
domain of inter process domain of
classified processes communication channels unclassified processes


SELinux対応Memcached

必要機能
Key-Valueペアを格納し、高速に探索する
（できれば Persistent Storage 機能もサポート）
Key-Valueペアにセキュリティコンテキストを関連付け
本体側からの呼び出し時にアクセス制御を行う
方針
Key-Valueペアは mmap(2) した領域に配置
容易に Persistent Storage 化可能
B+Treeインデックスを用いる
サイズの増減に柔軟に対処できる。順スキャン可能。


selinux_engine.so の構成
Engine V1
Memcached
インターフェース
本体

Engine V1 の
Engine V1 の
フック関数 interface.c selinux.c
フック関数

Key/Valueペア管理、 SELinuxを用いた
SELinuxを用いた
Key/Valueペア管理、 mcache.c
セキュリティラベルアクセス制御
アクセス制御
セキュリティラベル

B+木インデックス
B+木インデックス mbtree.c

メモリブロックの
メモリブロックの mblock.c
alloc()/free()
alloc()/free() selinux_engine.so


mblock.c
mchunk_t 構造体の定義（tag値による多様性を持つ）
MCHUNK_TAG_FREE MCHUNK_TAG_ITEM MCHUNK_TAG_BTREE MCHUNK_TAG_LABEL
uint16 magic uint16 magic uint16 magic uint16 magic
uint8 mclass uint8 mclass uint8 mclass uint8 mclass
uint8 tag uint8 tag uint8 tag uint8 tag
mlist_t list uint16_t flags uint64_t parent uint32_t secid
uint64_t prev uint16_t keylen uint8_t is_leaf uint32_t refcount
uint64_t next uint32_t datalen uint16_t nkeys uint8_t value[0]
uint32_t secid
uint32_t keys[N]
uint32_t exptime
uint8_t data[0] uint64_t items[N+1]

mmap(2)した領域を 2^N サイズ単位で割り当て・解放する
Buddyアルゴリズムを用いたメモリ管理
シンプルで領域の分割併合を行いやすい方法
最悪の場合、メモリ利用率は 50% そこそこに…。
別の mchunk_t を参照する際にポインタを使えない。
uint64_t 幅のオフセット値を使用する


mbtree.c
K0 KN-1
V0 V1 VN-1 VN

K0 K1 K2 K0 K1 K2
V0 V1 V2 V3 V0 V1 V2 V3

K0 K1 K2 K0 K1 K2 K0 K1 K2 null
K0 K1 K2
V0 V1 V2 V3 V0 V1 V2 V3 V0 V1 V2 V3 V0 V1 V2 V3

MCHUNK_TAG_ITEM MCHUNK_TAG_LABEL

uint32_t型のキーと、uint64_t型の値からなるB+木構造
uint32_t : 真のキーをハッシュ化した値
uint64_t : ITEMやLABELチャンクへのオフセット値
ハッシュと比べ、データ量が増えた時の再編コストが安い
default_engine.so は、アイテム数に応じてハッシュスロットの数を増減する


mcache.c
mcache_t 構造体 mcache_t 構造体 mcache_t 構造体
mcache ハッシュ表

mcache_t *next
int refcnt
bool is_hot
security_id_t tsid MCHUNK_TAG_LABEL
mchunk_t *mchunk
MCHUNK_TAG_ITEM

Key-Valueペアを表現するデータ構造
tsid パース済みの MCHUNK_TAG_LABEL
mchunk MCHUNK_TAG_ITEM へのポインタ
データ構造の目的
Key-Valueに対応するセキュリティラベルを毎度々々探索せずに済むように
最近使った Key-Value を疑似LRUで繋いでおく
refcnt の操作によって、mmap(2)したページが Dirty にならないように
Dirtyになると、ファイルをmmap(2)した時に I/O が発生するので。


interface.c
create_instance()で、コールバックの関数ポインタを登録
イベントに応じて登録した関数が呼び出される
SETコマンド処理の例
本体側モジュール側
process_update_command()
->allocate() メソッド
SETコマンドのパース
入力データ用のItemバッファを確保
クライアントからのデータ入力受付準備

確保したItemバッファに対して
クライアントからのデータを入力 ->store() メソッド
利用者の write 権限をチェックする
新しいItemをB+木に追加
complete_update_ascii() (必要なら)古いItemをB+木から削除
データを読み込んだItemバッファを
インデックスに登録する処理 ->release() メソッド
（必要なら古いItemを削除する）
参照カウンタをデクリメント
B+木に登録されていなければ、
利用者に store() の実行結果を返却 Itemを開放する
STORED/EXISTS/NOT_FOUND/...


selinux.c
アクセス制御を行う関数群
interface.c 内の各メソッドから呼び出され、
SELinuxにアクセス制御の問い合わせを行う。
‘denied’の結果が返却されれば、ERROR_EACCESSを呼出し元に返す
Access Vector Cache (AVC)を用いて、システムコール回数を最小化
Query

mselinux_check_write()
Access Control Decision

avc_has_perms()
ERROR_SUCCESS
or Yes
on cache?
ERROR_EACCESS
No security
policy
security_compute_av()
System-Call SELinux


ベンチマーク
default
default selinux
selinux

IPsec(ESP)
IPsec(ESP)
191,409
191,409

IPsec(AH)
IPsec(AH)

251,485
251,485
No IPsec
No IPsec

00 100000
100000 200000
200000 300000
300000
number of commands in 30sec
number of commands in 30sec

Iteration of GET/SET mixture, 8threads-client, 4core server x 2, Gb-ether
Less significant differences in same network environment
Penalties in IPsec(AH) communication (~20%?)


設定パラメータ
filename=<fname>
<fname> をストレージとして mmap(2) する。デフォルトは匿名マッピング
size = <total_size>
mmap(2)するサイズ。PageSizeの倍数でなければならない。
use_cas = (true|false)
Compare-and-Set操作をサポートするか否か
selinux = (true|false)
SELinuxサポート（アクセス制御）の有効化/無効化
これを無効化すると、ただのストレージ付きMemcachedになってしまう
reclaim = (true|false)
領域の不足時に、既存ItemをReclaimするか否か。
debug = (true|false)
デバッグ出力のON/OFF


おしまい

Twitterでの質問先
@kkaigai
ソースコードの入手先
% svn co http://sepgsql.googlecode.com/svn/trunk/memcached
% cd memcached
% autoconf
% env CPPFLAGS=-I/path/to/memcached/include ./configure
% make
% su –c ‘make install’

情報源
Coming soon....  ドキュメントを書きましょう ☺


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