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x86处理器向量条件访存指令安全脆弱性分析

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计算机学报 2024年第3期47卷 525-543页

作者：李丹萍朱子元史岗孟丹中国科学院信息工程研究所北京100085 中国科学院大学网络空间安全学院北京100049

单指令多数据流(Single Instruction stream,Multiple Data streams,SIMD)是一种利用数据级并行提高处理器性能的技术,旨在利用多个处理器并行执行同一条指令增加数据处理的吞吐量.随着大数据、人工智能等技术的兴起,人们对数据并行化... 详细信息

单指令多数据流(Single Instruction stream,Multiple Data streams,SIMD)是一种利用数据级并行提高处理器性能的技术,旨在利用多个处理器并行执行同一条指令增加数据处理的吞吐量.随着大数据、人工智能等技术的兴起,人们对数据并行化处理的需求不断提高,这使得SIMD技术愈发重要.为了支持SIMD技术,Intel和AMD等x86处理器厂商从1996年开始在其处理器中陆续引入了MMX(MultiMedia Extensions)、SSE(Streaming SIMD Extensions)、AVX(Advanced Vector eXtensions)等SIMD指令集扩展.通过调用SIMD指令,程序员能够无需理解SIMD技术的硬件层实现细节就方便地使用它的功能.然而,随着熔断、幽灵等处理器硬件漏洞的发现,人们逐渐认识到并行优化技术是一柄双刃剑,它在提高性能的同时也能带来安全风险.本文聚焦于x86 SIMD指令集扩展中的VMASKMOV指令,对它的安全脆弱性进行了分析.本文的主要贡献如下:(1)利用时间戳计数器等技术对VMASKMOV指令进行了微架构逆向工程,首次发现VMASKMOV指令与内存页管理和CPU Fill Buffer等安全风险的相关性;(2)披露了一个新的处理器漏洞EvilMask,它广泛存在于Intel和AMD处理器上,并提出了3个EvilMask攻击原语:VMASKMOVL+Time(MAP)、VMASKMOVS+Time(XD)和VMASKMOVL+MDS,可用于实施去地址空间布局随机化攻击和进程数据窃取攻击;(3)给出了2个EvilMask概念验证示例(Proof-of-Concept,PoC)验证了EvilMask对真实世界的信息安全危害;(4)讨论了针对EvilMask的防御方案,指出最根本的解决方法是在硬件层面上重新实现VMASKMOV指令,并给出了初步的实现方案.

关键词：处理器安全单指令多数据流(SIMD) 微体系结构侧信道攻击 VMASKMOV指令地址空间布局随机化(ASLR)

基于锁的Cache一致性协议的硬件优化策略

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高技术通讯 2009年第9期19卷 933-938页

作者：蔡晔史岗中国科学院计算技术研究所北京100080 中国科学院研究生院北京100080

对一种基于锁的Cache一致性协议的开销进行了评估和分析,并结合一款处理器接口的设计,实现了一种分布式内存结构上的远程内存共享机制。该机制能提高处理器机间的通讯性能,降低一致性协议中的通讯延迟,同时通过硬件锁对协议中的同步开... 详细信息

对一种基于锁的Cache一致性协议的开销进行了评估和分析,并结合一款处理器接口的设计,实现了一种分布式内存结构上的远程内存共享机制。该机制能提高处理器机间的通讯性能,降低一致性协议中的通讯延迟,同时通过硬件锁对协议中的同步开销进行优化,避免锁管理器节点陷入处理程序而减少同步等待时间。实际测试结果表明,通过硬件优化的软件Cache一致性协议基本操作的性能得到极大的提高,并在实际应用上具有更好的加速比和可扩展性。

关键词：一致性协议锁同步消息传递

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进程安全保护技术综述

哈尔滨工业大学学报 2016年第5期48卷 77-84页

作者：赵剑锋史岗孟丹中国科学院信息工程研究所北京100093

进程安全保护是信息安全领域的一个研究热点,可以应用于计算机安全系统、网站保护、杀毒软件自保护、数字产权保护等方面.在信息安全研究的背景下,总结了进程所受到的威胁,包括软件和硬件方面的威胁;结合实际案例对进程安全保护技术从... 详细信息

进程安全保护是信息安全领域的一个研究热点,可以应用于计算机安全系统、网站保护、杀毒软件自保护、数字产权保护等方面.在信息安全研究的背景下,总结了进程所受到的威胁,包括软件和硬件方面的威胁;结合实际案例对进程安全保护技术从硬件和软件方面进行了详细分类,分析了每种技术的特点和不足;指出现在研究存在的问题,并展望了未来关于进程安全保护的研究方向和重点.

关键词：进程安全保护分类研究方向

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系统安全隔离技术研究综述

计算机学报 2017年第5期40卷 1057-1079页

作者：郑显义史岗孟丹中国科学院信息工程研究所北京100093 中国科学院大学北京100049

随着网络技术的迅速发展和系统功能的日益复杂,系统越来越需要一个可以信赖的计算环境来保证敏感信息的安全性、完整性和可靠性.系统不仅需要保证敏感应用程序自身代码的安全,而且要保证其执行过程的隔离性以确保程序执行的操作和结果... 详细信息

随着网络技术的迅速发展和系统功能的日益复杂,系统越来越需要一个可以信赖的计算环境来保证敏感信息的安全性、完整性和可靠性.系统不仅需要保证敏感应用程序自身代码的安全,而且要保证其执行过程的隔离性以确保程序执行的操作和结果不会被攻击和窃取.尽管近几年在系统安全研究方面有着显著的进步,然而,损坏系统内核的攻击仍引起很大的威胁.这类攻击能访问系统的敏感数据,隐藏恶意行为,提高恶意进程的权限,改变系统行为,甚至控制整个系统.传统地,系统保护是通过使用与内核一样运行在同样地址空间和权限级别的安全机制实现的.然而,这种途径不足够安全,因为攻击者一旦成功损坏内核随后也将能损坏这些安全机制.为了实现真正的内核和关键数据保护,安全机制应被进行隔离保护,为此在系统中构建一个可信的隔离运行环境对系统安全是至关重要的.该文首先对各种安全隔离技术进行了整体概述,重点对各自的实现机制和系统架构做了深入分析,紧接着探讨了安全隔离技术在解决系统安全问题方面的研究现状,并在此基础上分析了其各自的优势与存在的不足,并将它们做了对比分析,最后结合当前信息安全领域存在的突出问题展望了安全隔离技术未来的发展方向和应用需求.

关键词：系统架构可信执行环境系统安全安全隔离虚拟化技术

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系统域网中用户级通信库的实现

计算机工程 2005年第11期31卷 190-192页

作者：尹宏达史岗胡明昌中国科学院计算技术研究所北京100080

在系统域网环境中,网络硬件具备非常优良的性能,然而传统的通信库存在大量不必的要软件开销,大幅度地降低了通信性能。通过允许用户进程直接访问网络设备并减少收发过程中的内存拷贝,可以避免由操作系统带来的开销,从而实现用户级通信,... 详细信息

在系统域网环境中,网络硬件具备非常优良的性能,然而传统的通信库存在大量不必的要软件开销,大幅度地降低了通信性能。通过允许用户进程直接访问网络设备并减少收发过程中的内存拷贝,可以避免由操作系统带来的开销,从而实现用户级通信,降低延迟并提高带宽。经过对用户级通信库的性能分析,可以发现用户级通信库具有更好的性能。

关键词：用户级通信系统域网软件开销

软件DSM机群上并行大规模地理图像处理系统ParGIP

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计算机研究与发展 2003年第1期40卷 53-59页

作者：史岗张福新胡伟武韩承德中国科学院计算技术研究所北京100080

基于共享虚拟存储 (sharedvirtualmemory ,SVM )PC机群的大规模并行地理图像处理原型系统ParGIP(parallelgeographicalimageprocessing)采用Client Server计算模型 ,通过软件分布式共享存储 ①(softwaredistributedsharedmemo ry ,softwareDSM )中间层将PC机群组织成一个逻辑上共享内存的并行计算平台 ,地理图像处理可以充分利用ParGIP提供的大共享内存和并行处理能力来提高性能 ,缩短处理周期 ,从而解决传统单机串行方式下地理图像处理中内存匮乏和计算能力不足的问题 ParGIP还进一步将机群中各个结点上分布的磁盘组织起来 ,提供地理影像库所需的海量存储空间和并行I/O能力测试结果表明 :ParGIP的 8机并行I/O带宽达到 10 2 6MB/s 。

关键词：并行大规模地理图像处理系统 ParGIP 软件DSM 机群并行处理计算机图像几何配准

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通信对机群并行计算性能的影响

小型微型计算机系统 2003年第9期24卷 1569-1573页

作者：胡明昌史岗胡伟武唐志敏中国科学院计算技术研究所北京100080

分析了通信和计算重叠模型及 L og GP模型 ,指出各通信参数对并行计算性能的影响 ,结合并行程序的特征介绍了在机群环境下改善并行计算性能经常采用的五种通信方式 :采用高速网络、采用用户级通信协议、利用 SMP通信、动态预取或迁移数... 详细信息

分析了通信和计算重叠模型及 L og GP模型 ,指出各通信参数对并行计算性能的影响 ,结合并行程序的特征介绍了在机群环境下改善并行计算性能经常采用的五种通信方式 :采用高速网络、采用用户级通信协议、利用 SMP通信、动态预取或迁移数据、消息合并发送 ,详尽测试了各种方式影响性能情况并分析了其特点和适用范围 .采用高速网络是最常用的方法 ,性能提高明显 ,适用于各类应用程序 .需要传送大量小消息的并行程序还应采用用户级通信协议 .对于特定的一类应用程序 ,采用消息合并发送方式提高性能最多 .采用动态预取或迁移数据和利用 SMP通信时要慎重。

关键词： LogGP模型用户级通信机群曙光3000 MPI JIAJIA 预取 home迁移

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RTL级硬件木马问题研究

信息安全学报 2023年第4期8卷 139-152页

作者：赵剑锋史岗中国科学院大学网络空间安全学院北京100049 中国科学院信息工程研究所第五实验室北京100093

信息时代使得信息安全变得日益重要。信息安全可以分为两类:软件安全和硬件安全。攻击方为了获取想要的信息,除了使用软件方面的手段,如病毒、蠕虫、软件木马等,同样也使用硬件手段来威胁设备、系统和数据的安全,如在芯片中植入硬件木... 详细信息

信息时代使得信息安全变得日益重要。信息安全可以分为两类:软件安全和硬件安全。攻击方为了获取想要的信息,除了使用软件方面的手段,如病毒、蠕虫、软件木马等,同样也使用硬件手段来威胁设备、系统和数据的安全,如在芯片中植入硬件木马等。如果将硬件木马植入信息处理的核心——处理器,那将风险更高、危害更大。然而,硬件木马位于信息系统底层核心的层面,难以被检测和发现出来。硬件木马是国内外学术界研究的热点课题,尤其是在设计阶段结合源代码的硬件木马检测问题,是新问题,也是有实际需要的问题。在上述背景并结合国内对芯片RTL源代码安全风险评估的实际需求展开了相关工作,围绕RTL源代码中硬件木马的问题展开了研究。主要贡献:针对RTL级硬件木马尚未在学术上给出一般属性的问题,给出硬件木马的属性描述形式,在形成硬件木马属性的基础上,以模块端口信号为源,提出了一种基于信号流向的多叉树分层递归搜索方法,实验结果表明,该方法对于依附在端口上的硬件木马的检测是有效的。

关键词：芯片 RTL级硬件木马属性描述搜索方法

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PC机群上JIAJIA与MPI的比较

软件学报 2003年第7期14卷 1187-1194页

作者：胡明昌史岗胡伟武唐志敏张福新中国科学院计算技术研究所北京100080

对JIAJIA 和MPI (message passing interface)是进行了比较.JIAJIA 和MPI 分别代表共享存储和消息传递的编程模式.MPI 显式进行数据传输,编程复杂;JIAJIA 由底层维护数据一致性,并附加提供简单的消息传递函数,编程容易、灵活.JIAJIA 分... 详细信息

对JIAJIA 和MPI (message passing interface)是进行了比较.JIAJIA 和MPI 分别代表共享存储和消息传递的编程模式.MPI 显式进行数据传输,编程复杂;JIAJIA 由底层维护数据一致性,并附加提供简单的消息传递函数,编程容易、灵活.JIAJIA 分配共享内存时开销较大,初始化时间比MPI 长.提出了一个关于并行加速比与进程数目之间关系的近似经验公式,推出JIAJIA 和MPI 性能差距随着进程数目的增多而增大的结论.测试结果表明,大部分应用程序的JIAJIA 和MPI 版本的并行性能差距不超过10%.对于通信量很小的应用程序,其JIAJIA 和MPI 的性能差距较小,而通信量本身较大的应用程序,其JIAJIA 和MPI 的性能差距主要取决于运行时产生的实际通信量.

关键词： JIAJIA MPI(message passing interface) 共享虚拟存储消息传递加速比并行性能通信量 PC机群