0x01 背景

meltdown（熔斷）以及spectre（幽靈）從爆出到現(xiàn)在大概一個多星期時間了，spectre對應的CVE編號為 CVE-2017-5715 、 CVE-2017-5753 ，meltdown對應的CVE編號為 CVE-2017-5754

關于meltdown和spectre相關研究最早是在2016年 Blackhat USA大會上有過相關的描述和猜想，研究人員發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代的處理器架構的用戶模式下，存在泄露內存區(qū)不可訪問區(qū)域的敏感信息可能性，但是當時還沒有具體的實現(xiàn)方法，之后才被格拉茨技術大學和其他實驗室研究人員共同研究出該漏洞猜想的利用方法。

處理器級別漏洞一般可以影響整個云計算基礎設施的發(fā)展歷史，cpu本身的架構同時也面臨著嚴峻的考驗。在看了遍大致原理之后，結合之前在公司上cissp課的時候老師講過的side channel attack側信道攻擊的相關知識，算是把漏洞基本上弄懂了。首先我們先來看下幾個需要掌握的概念。

亂序執(zhí)行

在cpu的流水線工作中，cpu處理執(zhí)行指令如果采用順序的方式，在處理性能上會產(chǎn)生比較大的開銷?，F(xiàn)代處理器優(yōu)化了cpu處理指令的方式，程序指令在同樣的單位時鐘周期內通過亂序執(zhí)行。所以，可能造成一種提前將需要執(zhí)行的指令進行預執(zhí)行的可能。這種方式雖然提高了cpu的指令處理效率，但是可能會成為內核漏洞利用的一種手段。用wiki上的例子解釋

1. b = a * 5

2. v = * b

3. c = a + 3

這里由于1與3可并發(fā)運行，而2之b無法隨即獲得，因此可以先計算乘法1與加法3，再運行2

地址空間

每個進程在內存地址中都有自己的獨立的內存空間，內存空間以PLT頁表映射的方式將內存實際地址映射成虛擬地址，同時定義了內核地址特權保護相關手段。這樣的內存空間主要分為用戶可訪問內存地址和不可訪問的內核地址空間，

分支預測

CPU執(zhí)行一條指令，一般來說，最少也要經(jīng)過從內存中取指令，將指令譯碼解析成微操作（μOP），微操作最終驅動硬件電路部件三個步驟（簡稱取指令、譯碼和執(zhí)行），如果執(zhí)行一條指令，要等到這三個步驟都完成后，才能執(zhí)行下一條指令，則一條指令執(zhí)行時間過長（用CPU硬件術語說就是消耗多個時鐘周期），CPU運行速度就無法得到有效提高，循序執(zhí)行就是必須執(zhí)行完當前指令才能執(zhí)行下一條指令的執(zhí)行方式。 為了解決這種問題，現(xiàn)代cpu使用分支預測的方式提前預測cpu將要執(zhí)行的指令。我們用通俗點的一句話概括這種機制： 如果某一段時間內某一條件跳轉都走向某一固定分支，則可以預測這條條件跳轉指令下一次很大可能也走向這一分支 。

隱藏信道攻擊（side channel attack）

為了提高內存IO效率，通常將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)存放在cache中，cpu緩存通過在較小和較快的內存中緩存常用的數(shù)據(jù)來減少慢速內存訪問延時帶來的成本?，F(xiàn)代cpu具有多級緩存機制，這些緩存通?？梢蕴峁┙ocpu內存使用，也可以提供給其他緩存共享使用，PLT表也可能存放在緩存中。

我們用個通俗的例子來解釋隱藏信道攻擊的原理：假設現(xiàn)在有一個安全等級非常高的私密空間機構（類似于美國中央情報局），這個機構只能接受外部特定的情報消息（寫），但不能將自己內部的一切信息泄漏給外部，（讀），A是這個中央情報局的工作人員，B想拿到中央情報局的一些敏感資料供自己使用。B通過多種渠道認識了A，拿到了A的一些把柄，A的工作中也有B需要的敏感文件，A為了自己的名譽答應B的泄漏敏感文件要求。商量之后，B為了不讓A暴露自己與A達成了一個協(xié)議；經(jīng)過B的發(fā)現(xiàn)，A的辦公室每天晚上12點左右關燈并且關燈的時間有偏差，B要求A通過一定的手段控制辦公室的關燈時間以12點為分界點，十二點之前關燈信號計為1，十二點之后關燈信號記為0。這樣B和A就源源不斷的通過隱蔽的方式講中央情報局的秘密泄露出來了。

隱藏信道攻擊也稱為旁路攻擊，這種攻擊攻擊是利用緩存引入的時序的差異方式對cpu內存進行攻擊的一種方式。漏洞poc使用的是基于Flush+Reload的方式對緩存進行泄漏，這種攻擊利用最后一級緩存，利用clflush刷新目標內存位置。通過測量重新加載數(shù)據(jù)所需的時間，攻擊者可以確定數(shù)據(jù)是否由另一個進程同時加載到緩存中。

0x02 Spectre攻擊

在理解完上述的幾個關鍵點之后，我們再來看看spectre這種攻擊的真實利用過程。參考spectre attack上的代碼片段

if（x 《 array1_size）

y = array2［array1［x］ * 256］

代碼片段中首先判斷了用戶進程是否越界訪問數(shù)組的非法訪問區(qū)域。在某種程度上，這種方式防止了處理器越界訪問非法訪問的敏感數(shù)據(jù)區(qū)域。然而，在亂序執(zhí)行的條件下，假設攻擊者可以操縱x的值（對應array［x］ = k）泄露單個byte的內存值，此時array1_size和array2沒有cache到緩存中，但是k已經(jīng)存入cache緩存了。攻擊者此時可以讓cpu多次執(zhí)行判斷為真的指令，執(zhí)行多次后cpu會將下一條指令預見性的讀取，這時候只要攻擊者突然改變x為非法訪問內存值，則可以讓cpu誤讀取非法區(qū)域中的值，達到泄露非法地址內存信息的目的。