क्लाउडफ़ेयर ने ऐसे पैच तैयार किए हैं जो लिनक्स में डिस्क एन्क्रिप्शन को नाटकीय रूप से तेज़ करते हैं

Cloudflare के डेवलपर्स बताया लिनक्स कर्नेल में डिस्क एन्क्रिप्शन के प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए कार्य करने के बारे में। परिणामस्वरूप, वे तैयार हो गये पैच सबसिस्टम के लिए dm-तहखाने और क्रिप्टो एपीआई, जिसने सिंथेटिक परीक्षण में पढ़ने और लिखने के थ्रूपुट को दोगुना से अधिक करना संभव बना दिया, साथ ही विलंबता को आधा कर दिया। जब वास्तविक हार्डवेयर पर परीक्षण किया गया, तो एन्क्रिप्शन ओवरहेड को डेटा एन्क्रिप्शन के बिना डिस्क के साथ काम करते समय देखे गए स्तर तक कम कर दिया गया था।

क्लाउडफ़ेयर सीडीएन पर सामग्री को कैश करने के लिए उपयोग किए जाने वाले स्टोरेज डिवाइस पर डेटा एन्क्रिप्ट करने के लिए डीएम-क्रिप्ट का उपयोग करता है। डीएम-क्रिप्ट ब्लॉक डिवाइस स्तर पर काम करता है और I/O अनुरोधों को एन्क्रिप्ट करता है और पढ़ने के अनुरोधों को डिक्रिप्ट करता है, ब्लॉक डिवाइस और फ़ाइल सिस्टम ड्राइवर के बीच एक परत के रूप में कार्य करता है।

पैकेज का उपयोग करके डीएम-क्रिप्ट के प्रदर्शन का मूल्यांकन करना लचीला I/O परीक्षक हमने डिस्क प्रदर्शन में उतार-चढ़ाव को खत्म करने और कोड प्रदर्शन पर ध्यान केंद्रित करने के लिए रैम में स्थित रैम डिस्क पर एन्क्रिप्टेड और अनएन्क्रिप्टेड विभाजन के साथ काम करने की गति को मापा। अनएन्क्रिप्टेड विभाजन के लिए, पढ़ने और लिखने का प्रदर्शन 1126 एमबी/सेकेंड पर रहा, लेकिन एन्क्रिप्शन सक्षम होने पर गति कम हो गई समय में 7 और इसकी मात्रा 147 एमबी/सेकंड थी।

सबसे पहले, कर्नेल क्रिप्टोसिस्टम में अकुशल एल्गोरिदम के उपयोग के बारे में संदेह पैदा हुआ। लेकिन परीक्षणों में 256 एन्क्रिप्शन कुंजियों के साथ सबसे तेज़ एल्गोरिदम, एईएस-एक्सटीएस का उपयोग किया गया, जिसका प्रदर्शन "क्रिप्टसेटअप बेंचमार्क" चलाने पर रैम डिस्क का परीक्षण करते समय प्राप्त परिणाम से दोगुना से अधिक है। प्रदर्शन ट्यूनिंग के लिए डीएम-क्रिप्ट झंडे के साथ प्रयोगों से परिणाम नहीं मिले: "--perf-same_cpu_crypt" ध्वज का उपयोग करते समय, प्रदर्शन 136 एमबी/एस तक कम हो गया, और "--perf-submit_from_crypt_cpus" ध्वज निर्दिष्ट करते समय यह केवल बढ़ गया से 166 एमबी/एस.

ऑपरेटिंग लॉजिक के गहन विश्लेषण से पता चला कि डीएम-क्रिप्ट उतना सरल नहीं है जितना लगता है - जब एफएस ड्राइवर से एक लेखन अनुरोध आता है, तो डीएम-क्रिप्ट इसे तुरंत संसाधित नहीं करता है, बल्कि इसे "kcryptd" कतार में रखता है, जो तुरंत पार्स नहीं किया जाता है, लेकिन जब सुविधाजनक समय आता है। कतार से, एन्क्रिप्शन करने के लिए अनुरोध लिनक्स क्रिप्टो एपीआई को भेजा जाता है। लेकिन चूंकि क्रिप्टो एपीआई एक अतुल्यकालिक निष्पादन मॉडल का उपयोग करता है, इसलिए एन्क्रिप्शन भी तुरंत नहीं किया जाता है, बल्कि दूसरी कतार को दरकिनार कर दिया जाता है। एन्क्रिप्शन पूरा होने के बाद, डीएम-क्रिप्ट एक खोज ट्री का उपयोग करके लंबित लेखन अनुरोधों को क्रमबद्ध करने का प्रयास कर सकता है लाल कला. अंत में, एक अलग कर्नेल थ्रेड, एक निश्चित देरी के साथ, संचित I/O अनुरोधों को उठाता है और उन्हें ब्लॉक डिवाइस स्टैक पर भेजता है।

पढ़ते समय, dm-crypt पहले ड्राइव से डेटा प्राप्त करने के लिए "kcryptd_io" कतार में एक अनुरोध जोड़ता है। कुछ समय के बाद, डेटा उपलब्ध हो जाता है और डिक्रिप्शन के लिए "kcryptd" कतार में रखा जाता है।
Kcryptd लिनक्स क्रिप्टो एपीआई को एक अनुरोध भेजता है, जो जानकारी को अतुल्यकालिक रूप से डिक्रिप्ट करता है। अनुरोध हमेशा सभी कतारों से नहीं गुजरते हैं, लेकिन सबसे खराब स्थिति में, एक लिखने का अनुरोध 4 बार तक कतार में समाप्त होता है, और एक पढ़ने का अनुरोध 3 बार तक कतार में समाप्त होता है। कतार में प्रत्येक हिट देरी का कारण बनती है, जो डीएम-क्रिप्ट प्रदर्शन में महत्वपूर्ण कमी का मुख्य कारण है।

कतारों का उपयोग उन परिस्थितियों में काम करने की आवश्यकता के कारण होता है जहां रुकावटें आती हैं। 2005 में, जब डीएम-क्रिप्ट का वर्तमान कतार-आधारित ऑपरेटिंग मॉडल लागू किया गया था, क्रिप्टो एपीआई अभी तक अतुल्यकालिक नहीं था। क्रिप्टो एपीआई को अतुल्यकालिक निष्पादन मॉडल में स्थानांतरित करने के बाद, अनिवार्य रूप से दोहरी सुरक्षा का उपयोग किया जाने लगा। कर्नेल स्टैक की खपत को बचाने के लिए कतारें भी पेश की गईं, लेकिन 2014 में इसकी वृद्धि के बाद, इन अनुकूलन ने अपनी प्रासंगिकता खो दी। बड़ी संख्या में अनुरोध आने पर मेमोरी आवंटन की प्रतीक्षा करने वाली बाधा को दूर करने के लिए एक अतिरिक्त कतार "kcryptd_io" पेश की गई थी। 2015 में, एक अतिरिक्त सॉर्टिंग चरण पेश किया गया था, क्योंकि मल्टीप्रोसेसर सिस्टम पर एन्क्रिप्शन अनुरोधों को ऑर्डर से बाहर पूरा किया जा सकता था (डिस्क तक अनुक्रमिक पहुंच के बजाय, यादृच्छिक क्रम में पहुंच की गई थी, और सीएफक्यू शेड्यूलर कुशलता से काम नहीं करता था)। वर्तमान में, SSD ड्राइव का उपयोग करते समय, सॉर्टिंग ने अपना अर्थ खो दिया है, और CFQ शेड्यूलर का उपयोग अब कर्नेल में नहीं किया जाता है।

यह देखते हुए कि आधुनिक ड्राइव तेज़ और स्मार्ट हो गए हैं, लिनक्स कर्नेल में संसाधन वितरण प्रणाली को संशोधित किया गया है और कुछ उपप्रणालियों को फिर से डिज़ाइन किया गया है, क्लाउडफ़ेयर इंजीनियर जोड़ा डीएम-क्रिप्ट में एक नया ऑपरेटिंग मोड है जो अनावश्यक कतारों और एसिंक्रोनस कॉल के उपयोग को समाप्त करता है। मोड एक अलग ध्वज "force_inline" द्वारा सक्षम किया गया है और डीएम-क्रिप्ट को एक साधारण प्रॉक्सी के रूप में लाता है जो आने वाले अनुरोधों को एन्क्रिप्ट और डिक्रिप्ट करता है। क्रिप्टो एपीआई के साथ इंटरैक्शन को स्पष्ट रूप से एन्क्रिप्शन एल्गोरिदम चुनकर अनुकूलित किया गया है जो सिंक्रोनस मोड में काम करते हैं और अनुरोध कतारों का उपयोग नहीं करते हैं। क्रिप्टो एपीआई के साथ समकालिक रूप से काम करने के लिए वहाँ था प्रस्तावित एक मॉड्यूल जो आपको त्वरण के लिए एफपीयू/एईएस-एनआई का उपयोग करने और सीधे एन्क्रिप्शन और डिक्रिप्शन अनुरोधों को अग्रेषित करने की अनुमति देता है।

परिणामस्वरूप, रैम डिस्क का परीक्षण करते समय, डीएम-क्रिप्ट के प्रदर्शन को दोगुना से अधिक करना संभव हो गया - प्रदर्शन 294 एमबी/एस (2 x 147 एमबी/एस) से बढ़कर 640 एमबी/एस हो गया, जो बहुत करीब है नंगे एन्क्रिप्शन का प्रदर्शन (696 एमबी/एस)।

वास्तविक सर्वर पर लोड का परीक्षण करते समय, नए कार्यान्वयन ने एन्क्रिप्शन के बिना चल रहे कॉन्फ़िगरेशन के बहुत करीब प्रदर्शन दिखाया, और क्लाउडफ्लेयर कैश वाले सर्वर पर एन्क्रिप्शन को सक्षम करने से प्रतिक्रिया की गति पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा। भविष्य में, क्लाउडफ़ेयर ने तैयार पैच को मुख्य लिनक्स कर्नेल में स्थानांतरित करने की योजना बनाई है, लेकिन इससे पहले उन्हें फिर से काम करने की आवश्यकता होगी, क्योंकि वे एक विशिष्ट लोड के लिए अनुकूलित हैं और एप्लिकेशन के सभी क्षेत्रों को कवर नहीं करते हैं, उदाहरण के लिए, कम पर एन्क्रिप्शन -पावर एम्बेडेड डिवाइस।

स्रोत: opennet.ru