Comprehensive Kernel Instrumentation via Dynamic Binary Translation

Dynamic binary translation (DBT) is a powerful technique that enables fine-grained monitoring and manipulation of an existing program binary. At the user level, it has been employed extensively to develop various analysis, bug-finding, and security tools. Such tools are currently not available for operating system (OS) binaries since no comprehensive DBT framework exists for the OS kernel. To address this problem, we have developed a DBT framework that runs as a Linux kernel module, based on the user-level DynamoRIO framework. Our approach is unique in that it controls all kernel execution, including interrupt and exception handlers and device drivers, enabling comprehensive instrumentation of the OS without imposing any overhead on user-level code. In this paper, we discuss the key challenges in designing and building an in-kernel DBT framework and how the design differs from user-space. We use our framework to build several sample instrumentations, including simple instruction counting as well as an implementation of shadow memory for the kernel. Using the shadow memory, we build a kernel stack overflow protection tool and a memory addressability checking tool. Qualitatively, the system is fast enough and stable enough to run the normal desktop workload of one of the authors for several weeks

Effective testing for concurrency bugs

In the current multi-core era, concurrency bugs are a serious threat to software reliability. As hardware becomes more parallel, concurrent programming will become increasingly pervasive. However, correct concurrent programming is known to be extremely challenging for developers and can easily lead to the introduction of concurrency bugs. This dissertation addresses this challenge by proposing novel techniques to help developers expose and detect concurrency bugs. We conducted a bug study to better understand the external and internal effects of real-world concurrency bugs. Our study revealed that a significant fraction of concurrency bugs qualify as semantic or latent bugs, which are two particularly challenging classes of concurrency bugs. Based on the insights from the study, we propose a concurrency bug detector, PIKE that analyzes the behavior of program executions to infer whether concurrency bugs have been triggered during a concurrent execution. In addition, we present the design of a testing tool, SKI, that allows developers to test operating system kernels for concurrency bugs in a practical manner. SKI bridges the gap between user-mode testing and kernel-mode testing by enabling the systematic exploration of the kernel thread interleaving space. Our evaluation shows that both PIKE and SKI are effective at finding concurrency bugs.Im gegenwärtigen Multicore-Zeitalter sind Fehler aufgrund von Nebenläufigkeit eine ernsthafte Bedrohung der Zuverlässigkeit von Software. Mit der wachsenden Parallelisierung von Hardware wird nebenläufiges Programmieren nach und nach allgegenwärtig. Diese Art von Programmieren ist jedoch als äußerst schwierig bekannt und kann leicht zu Programmierfehlern führen. Die vorliegende Dissertation nimmt sich dieser Herausforderung an indem sie neuartige Techniken vorschlägt, die Entwicklern beim Aufdecken von Nebenläufigkeitsfehlern helfen. Wir führen eine Studie von Fehlern durch, um die externen und internen Effekte von in der Praxis vorkommenden Nebenläufigkeitsfehlern besser zu verstehen. Diese ergibt, dass ein bedeutender Anteil von solchen Fehlern als semantisch bzw. latent zu charakterisieren ist -- zwei besonders herausfordernde Klassen von Nebenläufigkeitsfehlern. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie entwickeln wir einen Detektor (PIKE), der Programmausführungen daraufhin analysiert, ob Nebenläufigkeitsfehler aufgetreten sind. Weiterhin präsentieren wir das Design eines Testtools (SKI), das es Entwicklern ermöglicht, Betriebssystemkerne praktikabel auf Nebenläufigkeitsfehler zu überprüfen. SKI füllt die Lücke zwischen Testen im Benutzermodus und Testen im Kernelmodus, indem es die systematische Erkundung der Kernel-Thread-Verschachtelungen erlaubt. Unsere Auswertung zeigt, dass sowohl PIKE als auch SKI effektiv Nebenläufigkeitsfehler finden