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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)

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处理器的安全漏洞及防御策略研究

科技与创新 2021年第19期 44-46,48页

作者：李沛南中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室北京100093 中国科学院大学网络空间安全学院北京100049

描述了现有计算机系统中存在的安全风险,归类了攻击场景与目标,并分析了现有的软硬件漏洞及相应的基本原理。针对软硬件攻击,提出了可行的防御策略以及在安全机制实施时面临的挑战。以软件中常见的控制流劫持漏洞以及硬件中最为危险的... 详细信息

描述了现有计算机系统中存在的安全风险,归类了攻击场景与目标,并分析了现有的软硬件漏洞及相应的基本原理。针对软硬件攻击,提出了可行的防御策略以及在安全机制实施时面临的挑战。以软件中常见的控制流劫持漏洞以及硬件中最为危险的推测执行漏洞为例,讲述了防御策略的应用方法,并进一步展望了未来安全处理器的研究方向。

关键词：处理器安全软件漏洞硬件漏洞防御方法

抗功耗分析攻击的安全RISC-V处理器研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2021年第8期54卷 868-874页

作者：刘强刘斌 [艹卢]世雄赛斌天津大学微电子学院天津300072 天津市成像与感知微电子技术重点实验室天津300072 恩智浦强芯(天津)集成电路设计有限公司天津300457

为了消除功耗分析攻击的威胁,同时保证处理器的低功耗和高性能,提出了一种安全RISC-V处理器的实现方法.此安全处理器支持两种工作模式:安全模式和普通模式,分别用来处理需要保护的敏感数据和可公开的非敏感数据.安全模式的实现方法是在... 详细信息

为了消除功耗分析攻击的威胁,同时保证处理器的低功耗和高性能,提出了一种安全RISC-V处理器的实现方法.此安全处理器支持两种工作模式:安全模式和普通模式,分别用来处理需要保护的敏感数据和可公开的非敏感数据.安全模式的实现方法是在寄存器传输层(RTL)应用面向域掩码(DOM)技术对处理器的所有数据通路进行保护,包括通用寄存器、算术逻辑单元和数据存储单元等,最终数据通路位宽由32位扩展到64位.同时,通过可配置架构设计,实现了普通工作模式,在此模式下处理器支持RV32IMC和RV64IMC指令集.为了降低总体资源消耗,普通模式下的数据通路均通过复用安全模式的部分资源实现.通过两种工作模式的切换,处理器既可以有效保护敏感数据,又可以降低系统总功耗.使用global foundry 40 nm标准工艺库对设计进行综合,结果改造后的安全处理器面积是原版的1.68倍.搭建处理器仿真与攻击平台,用于验证安全处理器执行指令时的正确性和安全性.分别在两种工作模式下执行相同的任务,结果显示安全模式的功耗是普通模式的6.45倍,证明了普通模式存在的优越性;在两种工作模式下分别采集两百万条功耗曲线进行差分功耗分析(DPA)攻击,结果在普通模式下敏感密钥被成功获取,而在安全模式下敏感密钥被有效保护;采用Welch’s t-test分别对两种工作模式的抗功耗分析攻击能力进行评估,结果显示在99.99%的置信度下,普通模式存在多处安全隐患,而安全模式全程不会泄露敏感信息.

关键词：功耗分析攻击 RISC-V DOM 处理器安全

一款安全RISC-V处理器特权模式和内存保护测试

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北京信息科技大学学报（自然科学版） 2021年第3期36卷 82-87页

作者：焦芃源李涵李翔宇殷树娟北京信息科技大学理学院北京100192 清华大学微电子学研究所北京100084

针对安全处理器中特权模式和物理内存保护这两大特性,以一款32位RISC-V安全处理器为研究对象,利用C语言和汇编语言程序构造了各种模式切换和越权访问的场景,提出了一套RISC-V特权模式和物理内存保护功能的测试方案,通过异常处理程序对... 详细信息

针对安全处理器中特权模式和物理内存保护这两大特性,以一款32位RISC-V安全处理器为研究对象,利用C语言和汇编语言程序构造了各种模式切换和越权访问的场景,提出了一套RISC-V特权模式和物理内存保护功能的测试方案,通过异常处理程序对处理器状态、异常信息进行观测,结果表明了该方案检验处理器安全特性的有效性。

关键词：处理器安全 RISC-V 特权模式物理内存保护

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处理器分支预测攻击研究综述

计算机学报 2022年第12期45卷 2475-2509页

作者：刘畅杨毅李昊儒邱朋飞吕勇强王海霞鞠大鹏汪东升清华大学计算机科学与技术系北京100084 北京邮电大学可信分布式计算与服务教育部重点实验室北京100867 清华大学北京信息科学与技术国家研究中心北京100084

分支预测器是现代处理器的重要微架构组件,它可有效缓解流水线的控制流冒险问题,提升处理器性能.然而,尽管分支预测器的设计越发先进,设计细节也不被处理器厂商公开,但基于分支预测器的分支预测机制存在的安全问题仍不断被研究人员曝光... 详细信息

分支预测器是现代处理器的重要微架构组件,它可有效缓解流水线的控制流冒险问题,提升处理器性能.然而,尽管分支预测器的设计越发先进,设计细节也不被处理器厂商公开,但基于分支预测器的分支预测机制存在的安全问题仍不断被研究人员曝光.利用分支预测机制,攻击者能构建侧信道或隐藏通道,从而绕过软硬件的安全边界检查.在著名的Spectre攻击中,分支预测器还被用来构建瞬态执行窗口,这打破了被错误预测并执行的指令对软件程序员完全透明的错误安全假设.Spectre攻击曝光后,分支预测的安全问题越来越受到重视,相关的攻击变种与防御措施成为学术界和工业界共同关注的课题.本文从分支预测器的设计角度出发,从已公开和被研究人员逆向工程出的分支预测器设计中总结了分支预测器的工作机制,然后按分支预测器填充方式、分支预测器索引方式和分支预测利用过程等特征对现有的分支预测攻击进行归纳和整理,并总结了这些攻击的攻击模型,包括攻击场景与攻击链.随后,本文结合Intel、AMD和ARM等主流商用处理器的典型微体系结构,从攻击模型深入分析了各分支预测攻击的关联性、创新点和可行性,并提出一种评价分支预测类瞬态执行攻击可行性的理论方法.最后,本文讨论了分支预测攻击未来的研究趋势、相关的防御策略以及安全分支预测器设计等诸多问题.

关键词：分支预测处理器安全计算机微体系结构侧信道瞬态执行

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信息流跟踪的研究与实现

信息流跟踪的研究与实现

作者：龚明杨华中科技大学

学位级别：硕士

近年来,嵌入式系统受到了来自恶意软件的严重威胁,恶意软件已经开始威胁嵌入式设备的正常使用。由于嵌入式处理器不会检查所执行的程序是否安全,从处理器的角度来看,恶意软件与正常程序相同,这就造成了恶意软件在指令级层次是透明的,从... 详细信息

近年来,嵌入式系统受到了来自恶意软件的严重威胁,恶意软件已经开始威胁嵌入式设备的正常使用。由于嵌入式处理器不会检查所执行的程序是否安全,从处理器的角度来看,恶意软件与正常程序相同,这就造成了恶意软件在指令级层次是透明的,从而为恶意软件的攻击留下了潜在隐患。如果嵌入式处理器在软件运行的过程中能及时发现具有安全威胁的程序并予以中止,就可以大大提高嵌入式系统在运行时的安全性,为嵌入式设备在不安全的环境下的应用提供可靠保障。因而本论文从指令级层次入手研究嵌入式处理器的细粒度安全运行机制,提出了一种基于动态信息流追踪思想的监控机制FPM(Full Protection Mechanism),对整个指令和数据路径进行监控保护。通过添加特殊寄存器,由用户来配置安全策略,具有很高的灵活性和可编程性,可以针对设备受到的恶意威胁种类配置相应的安全策略,达到较高的效率。同时为敏感信息和特殊服务程序提供定制的监控策略,防止敏感信息泄漏和特殊服务程序遭篡改。本论文使用硬件描述语言设计实现了FPM安全防御机制,并在FPGA上验证了FPM安全防御机制。仿真和验证结果表明,FPM安全防御机制可以高效的检测到多种恶意攻击。

关键词：嵌入式系统敏感信息保护处理器安全信息流跟踪

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针对DSP处理器的逆向工程关键技术研究

针对DSP处理器的逆向工程关键技术研究

作者：杨志成电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息技术的飞速发展和处理器漏洞的频繁出现,通用处理器安全问题逐渐引起人们的广泛关注。数字信号处理器（Digital signal processor,DSP）作为数字信号处理领域的专用处理器,被广泛应用于通信、精确导航、自动控制等重要领域,而... 详细信息

随着信息技术的飞速发展和处理器漏洞的频繁出现,通用处理器安全问题逐渐引起人们的广泛关注。数字信号处理器（Digital signal processor,DSP）作为数字信号处理领域的专用处理器,被广泛应用于通信、精确导航、自动控制等重要领域,而对其安全性的研究却是少之又少。目前,针对DSP处理器开展安全问题研究的主要困难在于缺少针对DSP处理器的逆向工程手段,此外,DSP处理器会存在何种安全问题仍是未知。在此背景下,我们根据DSP处理器的特点,提出了适用于DSP处理器的逆向工程技术,即为反汇编技术。同时,针对未公开指令,这一存在于通用处理器的安全问题,对DSP处理器进行安全性研究。本论文的主要工作如下:（1）提出了适用于DSP处理器的逆向工程技术框架:本文研究了现有的针对通用处理器的反汇编技术,结合DSP处理器的体系结构特点,提出了适用于DSP处理器的逆向工程技术框架,该框架的提出,能对DSP处理器的逆向研究提供一定的参考作用。（2）建立了基于TMS320C64x/C64x+指令系统的逆向工程工具:根据本文提出的DSP处理器的逆向工程技术框架,建立了基于TMS320C64x/C64x+指令系统的逆向工程工具,并对其进行了可靠性测试。本工具分为三个部分:数据处理模块、数据库、反汇编模块。在数据处理模块中,我们提出了程序段的确立方法。我们通过研究TMS320C64x/C64x+指令集,提出了高效的指令集数据库建立方法。在反汇编模块中,我们给出了指令翻译的具体方法及步骤。通过本工具,我们可以完成从机器码到汇编指令的反汇编工作。最后经过实验验证,本工具能到达较优的反汇编效果。（3）提出了适用于DSP处理器的未公开指令搜索方法:在逆向工程工具的支持下,提出了面向DSP处理器的未公开指令搜索方法。该方法通过识别指令格式,跳过指令中的低效率部分,来减少指令的搜索空间,大大提高了工作效率。通过这种搜索方法,我们找到了处理器中存在的未公开指令,并结合机器码的结构,对未公开指令的结构进行分析,给出了其机器码的构成。

关键词： DSP 逆向工程反汇编未公开指令处理器安全