Clang vs. Clang

Clang vs. Clang: Jangan Membuat Clang Marah

• Ini adalah tulisan blog yang membahas eksperimen terkait Clang
• Jika melihat perubahan terbaru pada LLVM dan GCC yang berkaitan dengan optimisasi compiler, isinya mencakup optimisasi, pengujian optimisasi, perbaikan pengujian, dan perbaikan bug
• Para pembuat compiler cenderung tidak mau bertanggung jawab atas bug yang mereka perkenalkan sendiri
• Optimisasi compiler tidak banyak berkontribusi pada peningkatan performa nyata

Masalah optimisasi compiler

• Jarang ada kasus di mana compiler yang dioptimalkan benar-benar meningkatkan performa
• Sebagai contoh, implementasi avx2 dari kyber768 4 kali lebih cepat dibandingkan kode yang dikompilasi dengan compiler yang dioptimalkan
• Menurut hukum Todd A. Proebsting, optimisasi compiler nyaris tidak berkontribusi pada performa komputasi
• Hasil benchmark dari Arseny Kapoulkine juga sampai pada kesimpulan yang serupa

Masalah keamanan

• Compiler yang dioptimalkan dapat menimbulkan bukan hanya bug tradisional, tetapi juga masalah keamanan seperti timing leak
• Menurut makalah EuroS&P 2018, upgrade compiler dapat membuka timing channel dan membuat kode keamanan menjadi rentan
• Pada kode referensi Kyber, serangan timing yang berhasil telah dilaporkan pada kode yang dikompilasi dengan opsi optimisasi Clang 15 atau lebih baru

Alat TIMECOP

• TIMECOP 2 terintegrasi ke dalam framework pengujian kriptografi SUPERCOP dan secara otomatis memindai conditional branch yang diturunkan dari secret
• Perbedaan TIMECOP 1 dan TIMECOP 2: TIMECOP 2 secara otomatis menandai output RNG sebagai secret dan berjalan di multi-core

Menulis kode constant-time

• Sebuah presentasi tentang cara menulis kode constant-time disampaikan pada Juli 2024
• Dijelaskan fungsi-fungsi constant-time yang disediakan oleh libmceliece dan SUPERCOP
• Sebagai contoh, fungsi crypto_uint32_bitmod_mask(x,j) membuat compiler tidak mengenali hasil 1-bit

Mencegah masalah optimisasi compiler

• Salah satu cara untuk mencegah compiler memasukkan timing leak adalah dengan mendistribusikan library dalam bahasa assembly
• Namun, bahasa assembly dapat membuat audit terhadap kebenaran perangkat lunak menjadi lebih sulit
• Sedang dicari cara untuk cepat memasukkan kode pencegahan timing leak ke dalam kode seperti C, C++, dan lainnya

Patch clang-vs-clang

• Sebuah patch ditulis untuk alat optimisasi LLVM agar memindai &1 dan >>31 lalu menampilkan pesan peringatan
• Sebagai contoh, pesan peringatan akan ditampilkan pada kode x >>= 31

Kesimpulan

• Optimisasi compiler tidak banyak berkontribusi pada peningkatan performa dan dapat menimbulkan masalah keamanan
• Perlu menggunakan alat seperti TIMECOP untuk menulis kode constant-time dan mencegah masalah optimisasi compiler

Ringkasan GN⁺

• Tulisan ini membahas masalah optimisasi compiler dan risiko keamanannya
• Ditekankan bahwa optimisasi compiler tidak banyak berkontribusi pada peningkatan performa nyata dan dapat menimbulkan masalah keamanan
• Dengan memperkenalkan alat TIMECOP dan cara menulis kode constant-time, tulisan ini menunjukkan cara mencegah masalah keamanan
• Tulisan ini juga mengusulkan distribusi library dalam bahasa assembly sebagai cara mencegah masalah optimisasi compiler
• Proyek lain yang terkait di bidang ini mencakup compiler berfokus keamanan seperti FaCT dan Jasmin

[GN⁺]

Opini Hacker News

• Penulis compiler tidak bertanggung jawab atas bug yang muncul akibat optimasi

  • Menurut standar bahasa, bug semacam ini dianggap sebagai kesalahan programmer
  • Ini menjadi bukti bahwa hal tersebut bukan bug

• Setuju dengan pendapat Bernstein, tetapi kadang arahnya keliru

  • Manfaat optimasi berbeda-beda tergantung kasus penggunaan
  • Ada keluhan bahwa compiler C tidak mempertimbangkan makna yang tidak bisa diekspresikan dalam bahasa
  • Ini bisa diringkas dengan kesimpulan: "gunakan bahasa yang bisa mengekspresikan makna yang dibutuhkan"

• C dan C++ tidak cocok untuk menulis algoritme yang memerlukan jaminan waktu konstan

  • Standarnya hampir tidak memiliki konsep real-time
  • Menyalahkan pengembang compiler adalah arah yang keliru

• Pada CPU Intel, clang maupun apa pun yang lain tidak bisa menghasilkan kode yang benar di mode pengguna

  • Tidak mungkin mengatur DOITM

• Tidak setuju dengan klaim bahwa penulis compiler tidak bertanggung jawab atas bug

  • Ini adalah kesalahpahaman mendasar tentang "undefined behavior" di C

• clang memiliki atribut clang::optnone untuk menonaktifkan optimasi per fungsi

  • GCC memiliki atribut gnu::optimize untuk mengatur level optimasi
  • clang::no_builtins menonaktifkan optimasi memcpy dan memset

• Karena ada banyak undefined behavior di C, ada kemungkinan berpindah ke bahasa lain

  • Di Python, urutan objek set tidak penting
  • Compiler C mencoba melakukan optimasi dengan menganalisis pola kode
  • Ini dapat memberikan performa yang lebih baik dengan cara yang mirip dengan penyelesaian masalah pada teleskop Hubble

• Setuju dengan tujuan para ahli kriptografi, tetapi compiler serbaguna tidak mempertimbangkan hal itu

  • Mungkin diperlukan compiler yang terspesialisasi

• Memang benar bahwa beberapa bahasa dan compiler tidak cocok untuk menulis rutin kriptografi waktu konstan

  • Namun salah jika menyimpulkan bahwa semua compiler dan bahasa non-assembly itu buruk
  • Compiler dan bahasa khusus domain yang sederhana perlu dibuat

• Dalam contoh fungsi tertentu, input SIZE_T_MAX memicu undefined behavior

  • Ada banyak bug semacam ini, tetapi pada praktiknya tidak penting