用 Linux 和 Go 换掉 x86 固件 ！

英特尔管理引擎（ME）是一种独立的处理器和操作系统，在大多数x86系统上运行，不受用户的控制，长期以来是关注安全和隐私的用户所担心的对象。谷歌及其他公司一直在努力想方设法消除其尽可能多的功能（同时仍能够启动和运行系统）。来自谷歌的软件工程师罗纳德•明尼克（Ronald Minnich）近日出席了在布拉格召开的2017年欧洲嵌入式Linux大会，专门介绍了这方面的工作。

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他一开始就特别指出，他大多数时候谈论的固件是指他参与开发的coreboot固件平台，不过话题“并非完全围绕coreboot”。他列举好多人参与开发了该项目，旨在“把你那漏洞百出的固件换成Linux内核”，包括谷歌的另外几名员工和来自合作伙伴公司（Two Sigma、思科和Horizon Computing）的几个人。

他们取得的成果是，将开放计算项目（OCP）节点的启动时间从8分钟缩短至20秒。他表示，在他看来，这“也许是这项工作中最不重要的部分。”启动过程的所有用户空间部分一律用Go编写，这包括initramfs中的一切组件，其中包括init。这为启动过程带来了Linux的性能、可靠性和安全性，他们还能够为启动过程消除所有的ME和UEFI启动后活动。

描述乱象

明尼克表示，问题在于Linux已失去了对硬件的控制。早在20世纪90年代，我们好多人开始使用Linux时，Linux控制着x86平台中的一切。而如今，Linux和硬件之间至少有两个半内核。这些内核是专有的，很容易被利用不足为奇。它们在比Linux更高的特权级别下运行，可以以各种方式操纵/处理硬件和操作系统。更糟糕的是，漏洞代码可以被写入到系统闪存中，因而存留下来，很难或不可能被清除，砸烂主板可能是唯一的办法。

他发表过题为“如果你相信计算机，那你准疯了”的演讲，这归因于我们的系统上运行的所有专有代码。他希望这次演讲让大家有办法来解决其中一些问题，“那样我们才会变得理智一点。”

x86操作系统

他展示了一张幻灯片：

描述了x86系统上运行的看见和看不见的操作系统。 ring 0是Linux，因为“我们用完了ring编号”，像Xen这样的虚拟机管理程序是ring -1，但其下面的ring运行你无法访问的代码，有时是在你甚至不知道是系统一部分的处理器上。 ring -2有一个半内核，它包括UEFI（完整内核）和系统管理模式（SMM），SMM通过trap进入8086 16位模式，“半个内核”故而得名。那些控制着关于CPU的一切，是上面的ring看不见的。每当你合上笔记本电脑盖子或者做其他某些事情，SMM都会通过trap进入经典的8086模式；他讽刺地说“那应该会让你开心。”

ring-3是“真正让人担心的部分。”它运行MINIX 3，ME就在此处运行。他开玩笑说，ME方面拥有的系统比Linux、MacOS或Windows还多。

就他所知，ring-2中和ring-3中运行的系统之间没有共同的代码，但它们都有众多功能。两者都有IPv4和IPv6网络堆栈、文件系统、各种设备（磁盘、网络和USB等）的驱动程序和Web服务器功能。ME需要文件系统，是由于它可以用来为系统重新做镜像；明尼克表示，实际上，即使电源关了，它也可以为系统重新做镜像，只要系统插在墙壁电源上、连在网络上。

ring -3 ME由一大堆组件构成，有许多他没有搞明白。比如有诸如此类的组件：“全网络可管理性”、“常规网络可管理性”、“可管理性”以及“outbreak遏制启发式”。他提到了十年前瓦西柳斯•费尔费里斯（Vassilios Ververis）所写的硕士论文：

该论文剖析了ME的诸多不同缺陷。明尼克表示，结果让人很郁闷，因为论文表明ME的几乎每个部分都会受到攻击；有一些缺陷还没有被修复。

罗纳德•明尼克

他援引了《连线》杂志上介绍ME漏洞的一篇文章的标题：《修复一个存在7年的重大缺陷》，他觉得很有趣。不太有趣的是，这个缺陷让零长度密码可以发送到Web服务器，从而让管理员访问使用ME的系统。他说，由于这个缺陷存在了7年，受影响的系统多达10亿个，他强烈怀疑所有那些系统都已通过固件更新打上了补丁。

他又说到了ring-2中的半个操作系统。 SMM最初是为了处理DOS系统上的电源管理；发生某些事件（系统管理中断即SMI）时，它可以接管系统。SMI方面有好多漏洞；一旦SMM被启用，就无法关闭它。SMM发挥其用途须从系统的其余部分使用8MB内存。他表示，SMM是“厂商对你保持控制的好方法”。

ring-2中运行的另一个部分是UEFI，它和SMM都在主CPU上运行。UEFI是“极其复杂的内核”；厂商们为内核编写代码，但它们并不了解所有规则，因而时常犯错。结果是“留下了很大的口子，人们可以趁虚而入”。据他所知，UEFI通过隐匿来实现安全。

他表示，UEFI有大量的漏洞。由于UEFI通过将一部分UEFI代码移交给UEFI内核来更新，所以他担心漏洞会持续感染启动过程，以至于它声称会更新自己，实际上没有这么做。       他总结了刚刚描述的内容：2.5个隐藏的操作系统，拥有网络堆栈、Web服务器和其他功能。这些操作系统存在断电通电和重新安装后仍然在的缺陷，那些缺陷在过去已被人利用。

解决乱象

他问道：“那我们如何收拾这个烂摊子？”有人说改用AMD处理器，但现在这不是真正的解决方案。Ryzen号称是开放的，但事实并非如此，它仍有闭源组件。所以该项目专注于英特尔x86处理器，目标是缩小2.5个操作系统的范围。该项目名为“非扩展性缩减版固件”（NERF），一方面是由于研发团队认为，UEFI中的“可扩展”是有害的。很显然，NERF本身没有完整网页，不过明尼克谈到的一些组件确实有网页。[更正，确实有一个NERF网页：https://trmm.net/NERF。]

NERF的想法是，减小固件所能造成的危害。此外，还努力让固件执行的操作更透明化。为此，删除了固件中差不多所有的运行时组件；他表示，“差不多”是指ME很难完全杀死。如果你完全删除了ME，节点可能无法启动，但NERF删除了ME的Web服务器和IP堆栈。UEFI IP堆栈及其他驱动程序也被删除。除此之外，面向ME和UEFI的self-reflash功能已被删除，所以Linux管理所有的闪存更新。

NERF组件是精简版的ME ROM和UEFI ROM，它剩下最基本的部分；此外，必要时， SMM被禁用或被引导到Linux。除此之外，运行的是带有基于Go的用户空间（u-root）的Linux内核。他特别指出，就想为这方面做贡献的Go程序员对这个项目尤其感兴趣。

他们宁愿完全删除ME，但这根本不是一个法子。如果你删除ME，系统可能无法启动、通电，或者就算确实能通电，也会在30分钟后再次关闭。不过有个好消息：ME有多个组件，大部分组件可以删除。

他提到了将处理ME ROM、删除大部分组件的me_cleaner项目（https://github.com/corna/me_cleaner）。比如在MinnowMax上，ME使用8MB闪存中的5MB，但me_cleaner可以缩减至300KB。所以你只需要300KB的ME来启动Linux，这摆脱了你其实不希望ME处理的所有事情。他表示，缩减ME适用于MinnowMax及其他许多主板。

如果你“参与够早”，可以完全禁用SMM。运行SMM没有任何要求；要是SMM成了某个硬件的问题，有办法将SMI引导到内核。他表示，主题就是牢牢控制Linux。

UEFI“很庞大、极其复杂”，但是实施过程中犯了很多错误。不过，一些中断（包括内存错误检测中断）仍需要发送到UEFI。他们希望通过确保不可扩展来消除UEFI驱动程序带来漏洞的机会。他展示了一张显示UEFI提供的所有不同服务的“视力表”；他特别指出，它看起来像内核，因为它就是内核，“它是整个Linux的一小部分”。

接下来，他展示了标准的UEFI启动过程；先是两个阶段（安全即SEC和EFI前初始化即PEI），这些是完全专有的，厂商根本不会发布。不过此外，名为驱动程序执行环境（DXE）的下一个阶段有明确定义的接口，多个组件（DXE核心、驱动程序和启动管理器等）符合该接口。

启动管理器负责启动操作系统。你看到允许选择UEFI系统上启动哪个的屏幕时，那就是启动管理器。他们所做的是，把启动管理器换成符合DXE接口的Linux内核。在大会上别处演示的OCP节点系统上，通电后启动Linux内核用时20秒；基于Go的用户空间执行DHCP查询，对服务器内核执行wget，执行kexec切换到新内核，这多了3秒。计划把DXE核心组件换成更了解如何启动Linux的开源组件；明尼克表示，那有望进一步缩短启动时间。

他不认为我们可以访问UEFI的那部分早期启动代码（SEC和PEI）。即使对于运行coreboot的Chromebook来说，那部分也是二进制大对象（binary blob）。他表示，我们能做的就是换成明确定义的接口，这一块已完成。此外，旨在摈弃所有的UEFI运行时服务，这方面已完成。

作为其Heads项目（https://github.com/osresearch/heads）的一部分，特拉梅尔•哈德森（Trammel Hudson）已拿来几个Makefile和类似的文件创建成一个NERF镜像。该镜像可与自定义内核和initramfs结合使用，尽量取代UEFI。它们在戴尔服务器、MinowMax和OCP节点上取得了很好的结果。

明尼克表示，使用Linux让固件更易于使用。通常，固件中有许多需要谨慎对待、针对特定硬件的部分需要更改，而使用DXE接口可消除许多此类问题。他预计，不同的系统会需要不同的内核，不过他一直在MinnowMax（小系统）和OCP节点（庞大系统）上使用同一个内核。

他表示，用户空间部分一律用Go编写，Go在谷歌内部比C更受信任。5.9MB大小的initramfs含有用户空间的所有源代码、所有的Go编译器和软件包源代码以及Go工具链。命令在需要时实时创建，每个命令通常仅需要200ms；一旦命令创建，“几乎瞬间”（1ms）运行。从安全的角度来看，这很好，因为需要检查的所有源代码都已到位。

要是遇到这种情况：这种大小的initramfs没有足够的空间，或没有足够的CPU资源来执行快速编译步骤，u-root Go命令还有另一种模式。这好比BusyBox，原因在于有一个与一堆不同的命令名称关联的二进制文件；这个模式使用Go抽象语法树包将命令重写成包。这将占用的内存减少到2MB，这在闪存空间较小的系统上很有用。

明尼克考虑用于启动桌面系统的u-root工作有几个重要影响。有了u-root，不需要处理脚本或单元文件，只有一个程序来启动系统，这有助于“进程迅速启动”。它不仅更易了解，还让启动过程更快。谷歌有个名为NiChrome的项目，短短5秒内就可以让Chromebook从开机通电一路进入到X11和浏览器。

Go是一种编译语言，但常常用于编写脚本。明尼克“一直”用Go编写脚本；多年前，他停止编写Bash脚本，改用Go。用Go编写脚本来得“更容易、更可靠”。

他最后说，他希望在2018年看到厂商交付使用NERF和u-root的硬件。他表示，许多公司希望拥有自己了解底层的固件；它们还希望固件快速启动、又安全。在问答环节，明尼克被问及安全启动（secure boot）和TPM。目前两者都不支持，不过眼下u-root中有一个试验性的验证启动程序。至于TPM支持，他认为该项目将效仿Chrome操作系统的做法，而不是走安全启动这条路。

明尼克还被问到了这项工作与coreboot的关系。他表示，coreboot应该始终是首选，但12年来没有用于服务器平台。所以他会建议开发人员“可以的话总是使用coreboot”，不可以的话，看看NERF。

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