对于CPU雪藏的致命问题

首先我们先来解读一下CPU漏洞：熔断和幽灵

Meltdown（熔断），应对漏洞CVE-2017-5754；

Spectre（幽灵），对应漏洞CVE-2017-5753/CVE-2017-5715。

利用Meltdown漏洞，低权限用户可以访问内核的内容，获取本地操作系统底层的信息；当用户通过浏览器访问了包含Spectre恶意利用程序的网站时，用户的如帐号，密码，邮箱等个人隐私信息可能会被泄漏；在云服务场景中，利用Spectre可以突破用户间的隔离，窃取其他用户的数据。

Meltdown漏洞影响几乎所有的Intel CPU和部分ARM CPU，而Spectre则影响所有的Intel CPU和AMD CPU，以及主流的ARM CPU。从个人电脑、服务器、云计算机服务器到移动端的智能手机，都受到这两组硬件漏洞的影响。

这两组漏洞来源于芯片厂商为了提高CPU性能而引入的新特性。现代CPU为了提高处理性能，会采用乱序执行(Out-of-Order Execution)和预测执行(Speculative Prediction)。乱序执行是指CPU并不是严格按照指令的顺序串行执行，而是根据相关性对指令进行分组并行执行，最后汇总处理各组指令执行的结果。预测执行是CPU根据当前掌握的信息预测某个条件判断的结果，然后选择对应的分支提前执行。

乱序执行和预测执行在遇到异常或发现分支预测错误时，CPU会丢弃之前执行的结果，将 CPU的状态恢复到乱序执行或预测执行前的正确状态，然后选择对应正确的指令继续执行。这种异常处理机制保证了程序能够正确的执行，但是问题在于，CPU恢复状态时并不会恢复CPU缓存的内容，而这两组漏洞正是利用了这一设计上的缺陷进行测信道攻击。

漏洞原理解析

Meltdown漏洞原理

乱序执行可以简单的分为三个阶段，如下图所示：

每个阶段执行的操作如下：

1）获取指令，解码后存放到执行缓冲区Reservations Stations

2）乱序执行指令，结果保存在一个结果序列中

3）退休期Retired Circle，重新排列结果序列及安全检查（如地址访问的权限检查），提交结果到寄存器

结合Meltdown利用的代码片段来看：

Meltdown漏洞的利用过程有4个步骤：

1) 指令获取解码

2) 乱序执行3条指令，指令2和指令3要等指令1中的读取内存地址的内容完成后才开始执行，指令3会将要访问的rbx数组元素所在的页加载到CPU Cache中。

3) 对2)的结果进行重新排列，对1-3条指令进行安全检测，发现访问违例，会丢弃当前执行的所有结果，恢复CPU状态到乱序执行之前的状态，但是并不会恢复CPU Cache的状态

4) 通过缓存测信道攻击，可以知道哪一个数组元素被访问过，也即对应的内存页存放在CPU Cache中，从而推测出内核地址的内容

Spectre漏洞原理

与Meltdown类似，Spectre的原理是，当CPU发现分支预测错误时会丢弃分支执行的结果，恢复CPU的状态，但是不会恢复CPU Cache的状态，利用这一点可以突破进程间的访问限制（如浏览器沙箱）获取其他进程的数据。

Spectre的利用代码片段：

具体攻击过程可以分为三个阶段：

1）训练CPU的分支预测单元使其在运行利用代码时会进行特定的预测执行

2）预测执行使得CPU将要访问的地址的内容读取到CPU Cache中

3) 通过缓存测信道攻击，可以知道哪一个数组元素被访问过，也即对应的内存页存放在CPU Cache中，从而推测出地址的内容。

漏洞验证

目前开源社区github已经放出来了漏洞的验证代码（PoC），如下：

https://github.com/Eugnis/spectre-attackhttps://github.com/feruxmax/meltdownhttps://github.com/gkaindl/meltdown-pochttps://github.com/turbo/KPTI-PoC-Collection

经过我们和其他安全研究人员实际验证，漏洞可在Windows、Linux、Mac-OS等操作系统下，成功读取任意指定内存地址的内容，如下图所示：

Windows：

Ubuntu 16.04：

针对这两组漏洞，各家芯片厂商，操作系统厂商，浏览器厂商，以及云服务厂商，都积极采取措施，发布安全公告，并及时推出缓解措施和修复补丁。

CPU作为核心部件，在计算机历史上可谓是突飞猛进发展，而我们知道，一台电脑除了cpu，还需要内存和硬盘(ram和rom(固态硬盘也是rom，eeprom))

当cpu开始工作时，硬盘的数据会经过PCH(所谓的南桥)，然后再经过CPU，之后才被加载进内存开始执行。

虽然cpu的执行速度十分的快，但由于半导体企业的综合考量，因此主内存(也就是我们所说的内存条和手机运存)被设计成了动态的(与cpu内部静态的寄存器相对)。

我们称之为DRAM，也就是动态随机存取存储器，原理是采用电容存储，通过间隔一段时间，就重新刷新内存，没有被刷新的电容就会丢失存储的数据。

这种简单高效的dram，一个bit只需要一个晶体管和一个电容即可完成，非常的节省成本，现代的内存很容易就能做到16GB，32GB，128GB的高容量，为容纳Chrome提供了充实的条件。

无论多大的内存在我面前一律占用80%，而cpu内部的寄存器就需要6个甚至更多的晶体管，成本是极其高昂的，并且功耗也比dram来的高，因此寄存器的数量很少，用来暂时保存程序运算。借此，我们就能得出一个存储器结构，如下。

这是存储器结构，这个结构看上去似乎没有问题，但由于现代的处理器工作速度十分迅速，而主内存的速度却没有这么快，只有0~60GB/s的速度，并且容量又小，现代的操作系统，大型游戏动辄就是几十GB，而且，在一些有大量执行重复任务的程序里，显然对又慢又小的主内存来回写是浪费处理器的性能，借此，上世纪90年代，随着奔腾cpu的横空出世，介于主内存和处理器之间的缓冲区-缓存诞生了。

缓存，顾名思义，是作为缓冲区的一块内存，它虽然没有cpu的寄存器来的高速，但肯定要比主内存来的快，因此，cpu执行程序，不再是取主内存所存储的代码和数据，而是从缓存里取，如图↓

(Cache即缓存)，缓存基于局部性原理，什么是局部性原理呢？

处理器要执行程序，首先他会从缓存里寻找指令和数据，如果没有，就去内存读取，如果内存也没有，就去硬盘读取，如果硬盘也没有，就去远程服务器存储空间读取(当然，这需要更高级的操作系统的配合)，如果都没有找到数据，那就不执行程序

1.处理器内部的寄存器，速度最快，处理器主要的数据处理场所也是寄存器，造价高昂，容量小(每一个通用寄存器只有8字节[四字]的大小)

2.处理器内部的Level 1缓存，通常被访问次数小于寄存器，简称L1缓存，L1缓存又分成两个部分，一个部分存储指令，一个部分存储数据，现在的x86处理器一般都是一个核心搭配32KB的L1缓存，指令和数据各一个。

3.L2缓存，用来做更大的数据缓冲区，容量更大，大小在2MB~8MB左右，被访问次数通常更低，并且速度更慢。

4.L3缓存，用于多个核心共享使用，做更大的数据缓冲区，大小在8MB~80MB都有，处理器厂商一般用产品线划分来决定一个处理器的L3缓存，同时L3缓存的大小也十分影响运行性能。

5.内存，硬盘，这些不用我多说了。

上面都是废话，下面才是重点：

程序想要访问某一部分的内存的时候，cpu首先会看这部分内存在不在缓存里面，如果有，那么就能快速得到数据，如果没有，就需要去内存里面找，速度就会慢一些，而这个时间差，是可以被利用来获取数据的！

这就得了解另一个机制，叫内存分页，一些学过计算机的可能知道，计算机里面的基本单位是字节(Byte)，千字节就是KiloByte(KB)，百万字节就是MegaByte(MB)，十亿字节就是GigaByte(GB)。。。。

如上面例子所说，当cpu在缓存里找不到数据时，就会从内存里，先获得数据，再放进缓存(方便程序接着继续用)，而cpu为了加快放进缓存的进度，就把内存以4KB，1MB等容量，划分为一个单位，把数据放进缓存的时候，不是一个字节一个字节的放，而是一次放4kb，或者一次放1mb等等。。

以上，是熔断漏洞的几个要素罢了，而核心要素，在于cpu一个提升速度的根本要素：乱序执行！

现代cpu执行程序的代码的时候，其实并不是一条一条顺序执行(这样安全，但是不够快)，为了提升速度，都是以三条代码，四条代码为单位，一批一批的丢进cpu，(Cpu会自动处理代码之间的先后关系，所以不会错乱的)，不过有些时候，速度太快了，会执行一些涉及系统安全的非法代码，这些代码本身并不能被执行，但是cpu的执行逻辑是：先执行，后判断！

于是，结合以上因素，我们就得到了这段非常厉害的代码:

MOV RAX Byte PTR [Kernel]注释：把Kernel(中文名内核)，也就是系统内核的一个地址，里面的数据，以一个字节(Byte PTR)，放到一个叫 RAX的寄存器

这段代码本来不应该被执行(因为涉及系统保护)，但是因为cpu的乱序执行，导致这个代码会被执行

SHL RAX 0xC注释：这是最重要的一行代码，意思是，把RAX这个寄存器的数据，向左移动0xC(12)个比特位，相当于是把这个寄存器的数据乘4096(2的12次方)

4096其实就是一个内存页的大小，从这里看出，攻击者要把数据转化为另一种形式

MOV RBX Qword PTR [RAX+RBX]注释：RBX是一个可用的寄存器，存放的数据是合法的，不涉及系统隐私。[RAX+RBX]的意思是什么呢？就是把RAX和RBX相加，把这个相加后的数值，转化为一个地址，并将这个地址里面的数据，以4个字(一个字是2字节，4字就是8字节)为单位，放进一个叫RBX的寄存器

这时候，核心的要点来了，如果RAX+RBX作为一个地址，这个地址不在内存里，那么CPU就会从内存里去找！并且放在缓存里面！！！！！！

MOV RAX Byte PTR [Kernel]SHL RAX 0xCMOV RBX Qword PTR [RAX+RBX]

上面三行代码，就是攻击的全部。

在执行后，CPU发现自己执行了涉及系统隐私的代码，会自动回滚之前的操作，把RAX RBX的数据都给摧毁掉，然而，这两个寄存器的值，虽然不以数据的形式存在了，但是还以一个内存页的形式存在于缓存里面，cpu不会去回滚缓存

接着是最后一步，挨个访问内存页，因为我们知道，如果一个内存页放在缓存里，那么cpu就可以更快得到数据，耗时会更短，这时候，只需要记录访问每一个内存页所需的时间，那么，所需时间最短的那个内存页的内存地址，就是RAX+RBX的值！！！

访问页所需时间，这时候，假设我们得到第X个内存页耗时间最短，如何还原出最先我们从系统里面获得的数据呢？

很简单，因为这个内存页的地址是RAX寄存器+RBX寄存器的值，那么我们只要知道RBX最开始的数值，和这个内存页的地址，我们就可以还原出RAX寄存器的值，用公式表达就是：

地址X - RBX的值 = RAX的值

后来又陆陆续续发现了很多CPU漏洞，这些漏洞都是上面所说漏洞的变种，幽灵漏洞原理相似。