.. Kenneth Lee 版权所有 2018-2020 :Authors: Kenneth Lee :Version: 1.0 给程序员解释Spectre和Meltdown漏洞 ********************************* 我犹豫了很久要不要写这篇东西。伦理上我当然不想鼓励攻击行为，所以更好的方法是不 要讨论它。问题是这玩意儿论文都出来了，不讨论它似乎又是掩耳盗铃。所以，不轻不重 地讨论一下吧。 Spectre和Meltdown是缓冲时延旁路攻击的两种实际攻击方法。 什么叫旁路（Side Channel）攻击呢？就是说，在你的程序正常通讯通道之外，产生了一 种边缘特征，这些特征反映了你不想产生的信息，这个信息被人拿到了，你就泄密了。这 个边缘特征产生的信息通道，就叫旁路。比如你的内存在运算的时候，产生了一个电波， 这个电波反映了内存中的内容的，有人用特定的手段收集到这个电波，这就产生了一个旁 路了。基于旁路的攻击，就称为旁路攻击。这个论文对这种攻击有一个归纳： https://csrc.nist.gov/csrc/media/events/physical-security-testing-workshop/documents/papers/physecpaper19.pdf 。读者可以体会一下可能的攻击方法：时延，异常（Fault），能耗，电磁，噪声，可见光 ，错误消息，频率，JTag等等，反正你运行总是有边缘特征的，一不小心这个边缘特征就 成了泄密的机会。 缓冲时延（Cache Timing）旁路是通过内存访问时间的不同来产生的旁路。假设你访问一 个变量，这个变量在内存中，这需要上百个时钟周期才能完成，但如果你访问过一次，这 个变量被加载到缓冲（Cache）中了，下次你再访问，可能几个时钟周期就可以完成了。这 样，如果我攻击一个对象（比如一个进程，或者内核），要得到其中某个地址ptr的内容， 我只要和它共享一个数组，然后诱导它用ptr的内容作为下标访问这个数组，然后我检查这 个数组每个成员的访问时间，我就可以知道ptr的值了。 你一定觉得这是不可能的，对吗？在Cache Timing Side Channel刚被提出来的时候，大家 也是认为出问题的机会是很小的，只是理论上有效而已——直到Spectre和Meltdown被提出来 （其实之前已经有人用这种方法来对内核地址随机化(KSLR)进行攻击了，Spectre和 Meltdown只是综合利用了预执行的漏洞而已）…… 这个事情坏就坏在现代的CPU基本上都支持指令预执行。比如，下面这段代码：:: if(condition) do_sth(); 你以为condition不成立，do_sth就不会执行，但condition存在内存上，从内存中把 condition读出来，可能要几百个时钟周期，CPU闲着也是闲着，于是，它好死不死，它偷 偷把do_sth()给它执行了！CPU本来想得好好的：我先偷偷执行着，如果最终condition不 成立，我把动过的寄存器统统放弃掉就可以了。 问题是，大部分CPU在执行do_sth()的时候，如果有数据被加载到Cache中了，它是不会把 它清掉的（因为这个同样不影响功能），这样就制造了一个“不同”了，旁路就产生了。 现在我们来看看Meltdown是怎么构造的。假设我现在在用户态执行一个程序，我可以在程 序中制造这样一段代码：:: raise_exception(); access(probe_data[data*4096]); 其中，raise_exception()表示制造一个异常，比如你除零错，或者访问非法地址之类的。 后面那个数组是我（攻击程序）自己创建，我可以通过访问另一个一样大的数组一类的手 段，导致这个数组的Cache全部被清掉。这样，理论上我访问这个数组的每个成员的时间都 应该要数百时钟周期。 然后data是内核的一个地址（我想攻击的那个地址。另，为了避免部分人误会，严格来说 ，ptr的值是内核的一个地址，而data=*ptr），理论上这个地址我是没有权限访问的，但 第一句话产生一个异常后，系统已经陷入到内核了。又“照理说”，access那一句是不应该 执行的，但CPU又把它预执行了，这样，数组probe_data中的其中一个（下标等于data的） 成员就被Load进Cache了。 等异常从内核返回后，我检查一下probe_data每个成员的加载速度（如果data的大小是字 节，这个数组只要256项（乘4096是为了让cacheline隔开而已），我就足以偷到内核中的 一个字节了）。然后重复这个过程，我就可以读出内核中的所有数据，包括你的root密码 了。 按Meltdown论文的说法，他们在Intel的CPU上可以用五百多K每秒的速度Dump内核映像！ 还是那句话，恐怖不恐怖？惊喜不惊喜？ 为了解决这个问题，Linux上现在提出的解决手段是KPTI（通用技术称为Kaiser），内核和 用户态不共享页表，每次你异常、IO、系统调用，都要把内核页表重新装进来。 现在我们来看看Spectre攻击。Meltdown只能从用户态攻击内核，Spectre攻击就灵活多了 ，它可以攻击任何有缺陷的对象。它要求被攻击的对象里面有如下Pattern的代码：:: if(index1