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软件学报 2020年第2期31卷 544-563页

作者：吴晓慧贺也平马恒太周启明林少锋基础软件国家工程研究中心(中国科学院软件研究所) 北京100190 中国科学院大学北京100049 计算机科学国家重点实验室(中国科学院软件研究所) 北京100190

现代处理器的优化技术,包括乱序执行和推测机制等,对性能至关重要.以Meltdown和Spectre为代表的侧信道攻击表明:由于异常延迟处理和推测错误而执行的指令结果虽然在架构级别上未显示,但仍可能在处理器微架构状态中留下痕迹.通过隐蔽信... 详细信息

现代处理器的优化技术,包括乱序执行和推测机制等,对性能至关重要.以Meltdown和Spectre为代表的侧信道攻击表明:由于异常延迟处理和推测错误而执行的指令结果虽然在架构级别上未显示,但仍可能在处理器微架构状态中留下痕迹.通过隐蔽信道可将微架构状态的变化传输到架构层,进而恢复出秘密数据,这种攻击方式称为瞬态执行攻击.该攻击有别于传统的缓存侧信道攻击,影响面更广,缓解难度更大.深入分析了瞬态执行攻击的机理和实现方式,对目前的研究现状与防御方法进行了总结.首先,介绍了处理器微架构采用的优化技术,并分析了其导致瞬态执行攻击的功能特征;然后,基于触发瞬态执行的原语对瞬态执行攻击进行系统化分析,揭示攻击面上的明显差异;最后,有侧重点地针对攻击模型中的关键步骤和关键组件总结了已有的防御方法,并展望了未来的研究方向.

关键词：处理器微架构优化技术瞬态执行攻击防御方法

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处理器时间侧信道攻防技术综述

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高技术通讯 2024年第5期34卷 439-452页

作者：唐博文武成岗王喆中国科学院计算技术研究所处理器芯片全国重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

现代处理器优化机制众多,设计人员在追求性能提升时,往往忽略背后的安全风险。时间侧信道攻击因其影响面广且隐蔽性好已成为最主要的安全威胁之一。随着瞬态执行攻击的出现,时间侧信道攻击的能力被进一步扩展,计算系统的安全基础被动摇... 详细信息

现代处理器优化机制众多,设计人员在追求性能提升时,往往忽略背后的安全风险。时间侧信道攻击因其影响面广且隐蔽性好已成为最主要的安全威胁之一。随着瞬态执行攻击的出现,时间侧信道攻击的能力被进一步扩展,计算系统的安全基础被动摇。为此,处理器厂商及安全人员提出了大量防御机制。这些机制具有不同的防护能力及性能开销。与此同时,新的瞬态执行漏洞和隐蔽信道也不断被发现,已提出的防御机制被不断突破。围绕处理器时间侧信道攻防技术的博弈日益激烈。本文从基本攻击原理出发,对现有时间侧信道攻击进行了归纳总结,并在此基础上进一步分析了相关防御机制的保护能力和性能瓶颈,从而梳理出时间侧信道攻防技术的发展趋势,为未来软硬件系统开发和安全技术探索提供参考。

关键词：处理器微架构时间侧信道攻击隐蔽信道瞬态执行攻击投机执行防御技术

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微架构地址泄露Spoiler攻击检测与防御技术研究

微架构地址泄露Spoiler攻击检测与防御技术研究

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作者：殷祎芸湖南大学

学位级别：硕士

近年来,随着计算机技术的飞速发展,处理器性能得到了显著提高。架构师从微架构组件设计和指令执行等各方面对处理器架构进行了优化。然而,研究表明,这些性能优化技术是一柄双刃剑,尽管带来了性能提升,但也引入了严重的微体系结构漏洞。... 详细信息

近年来,随着计算机技术的飞速发展,处理器性能得到了显著提高。架构师从微架构组件设计和指令执行等各方面对处理器架构进行了优化。然而,研究表明,这些性能优化技术是一柄双刃剑,尽管带来了性能提升,但也引入了严重的微体系结构漏洞。瞬态执行攻击是一种典型的微架构漏洞。Spoiler攻击是典型的地址泄露型瞬态执行攻击,攻击者可以获取到部分目标物理地址信息,大幅增强缓存攻击和Rowhammer攻击等。为应对瞬态执行攻击的威胁,研究人员已提出了多种检测和防御策略。然而,针对地址泄露型Spoiler攻击,在检测方面,还缺乏检测手段。在防御方面,SSBD、NDA等措施禁用了推测性加载的性能优化技术,会严重影响处理器的性能。为解决当前地址泄露型Spoiler攻击检测手段缺失和防御开销过大的问题,本文提出了一种轻量级的硬件辅助检测技术以及一种低开销的防御策略。主要贡献如下:(1)检测方面,本文首次提出一种实时检测地址泄露型Spoiler攻击的微体系结构检测机制——SPOILER-ALERT。SPOILER-ALERT部署在处理器的内存排序缓冲区中,以布谷鸟过滤器模块为基础,监视每一条存取指令是否能达到攻击条件。为了减少存储开销和检测的假阳性,我们进一步优化了初步筛选和二次筛选算法。SPOILER-ALERT检测机制构建于gem5平台上,并评估了检测有效性和性能开销。实验结果表明,SPOILER-ALERT能够快速识别Spoiler攻击,并能达到99.9%的检测率、0%的误报率、24KB的存储开销和0.24%的平均性能开销。(2)防御方面,本文提出一种基于LHash的微体系结构防御机制。防御机制在内存排序缓冲区中扩展了LHash硬件辅助结构,对具有攻击性的存储指令和加载指令设置状态位并记录完整物理地址的高位。LHash硬件辅助结构能够帮助完善地址依赖关系解析逻辑,防止攻击性存取指令引发高时延,从而阻止攻击者从高时延中推断出目标物理地址信息。防御机制构建于gem5平台上,并评估了防御有效性和性能开销。结果表明,该防御机制能够有效阻止Spoiler攻击中高时延的产生,并具有1%以下的低性能开销和约24.24KB的存储开销。

关键词：瞬态执行攻击地址泄露 Spoiler攻击内存排序缓冲区地址依赖性解析

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