详解：“熔断”（Meltdown）漏洞、“幽灵”（Spectre）漏洞
地产营销资源库2018-01-10 08:05
计算机操作系统有一个最基本的安全目标：保证用户程序不能任意访问内核/其他用户程序的内存。一旦某个恶意应用可以任意访问其他应用程序/操作系统的内存，那么后果则不堪设想。
为了实现这个目标，操作系统和计算机硬件（CPU）采取了以下措施：
操作系统：通过虚拟内存为每个应用程序和内核开辟独立的地址空间，规定相应的访问权限。CPU：通过硬件实现支持虚拟内存（TLB）及其相应的访问权限。举例来讲，如果有一个用户程序试图访问一个内核的内存地址，那么在CPU执行相应指令的过程中会探测到没有访问权限，进而触发中断/异常，导致程序终结。
所以一般情况下，除非恶意程序通过软件漏洞提权获得了内核权限，否则是无论如何也绕不过CPU 的权限检查从而能访问内核地址的。
具体来看，假设非法访问内存的指令为
mov rax byte[x] // 将内核地址x处的内容存到寄存器rax
操作系统会事先标注好内核的内存地址范围，如果 x 在内核的这个地址范围内，并且 CPU 不是以内核模式运行的话，那么该指令会被 CPU 标注为非法，引起异常，异常处理程序会将 rax 清空为0，并且终结此程序，这样后续指令再来读 rax 的时候就只能读到0了。
目前看来这一整套流程还是无懈可击的。
然而这里一个重要的前提假设是： CPU 在做权限检查并且将 rax 清零的过程中，不会泄露任何关于 [x] 的信息 。
然而 Meltdown 和 Spectre 这两个漏洞厉害的地方就在于，利用现代CPU speculative execution （预测执行）的漏洞，在 rax 被清零之前把信息传递了出去。
以 Meltdown 的攻击代码（简化版）为例
mov rax byte[x]// 非法操作
shl rax 0xC // rax * 4096, page alignment
mov rbx qword [rbx + rax] // [rbx] 为用户空间的一个array，合法操作
理论上讲，在执行第二条指令之前，rax应该已经被清零了。然而在实际的 CPU 运行中，为了达到更好的性能，第二条和第三条指令在异常处理生效之前都会被 部分执行 ，直到异常处理时 rax 和 rbx 被清零。
目前看起来也没什么问题，因为rbx 也会被清零，关于 [x] 的任何信息都没有留下。
但问题的关键就在第三行指令： 如果地址 rbx + rax 不在cache中的话，CPU 会自动将这一地址调入cache中，以便之后访问时获得更好的性能，然而异常处理并不会将这个cache flush掉。而这条 cache 的地址是和 rax 直接相关的，这样就相当于在 CPU 硬件中留下了和rax 相关的信息。
那么如何还原 rbx + rax 这个被cache的地址呢？这时候需要用到的原理就是利用cache的访问延时，即已经被cache的数据访问时间短，没有被cache的数据访问时间长。由于[rbx]这个array是在用户地址空间内的，可以自由操作，首先我们要确保整个 [rbx]这个array 都是没有被cache的，然后执行上述攻击代码，这时候 rbx + rax 这个地址就已经被cache了，接下来遍历整个[rbx] array，来测量访问时间，访问时间最短的那个 page 就可以确定为 rbx + rax。（如下图，图来自原论文meltdown）
rbx + 84 * page_size 处访问时间最短，因此确定原 rax 为84
至此，我们就取到了内核地址空间 x 处的一个 byte (84)，如此循环，即可获得全部内核空间的数据，也就是说，整个电脑没有任何秘密可言，而且此漏洞完全不需要特殊权限，因此个人台式/云主机几乎都不可幸免（可怕！）。
至于 spectre，和 meltdown 的原理相似，利用分支预测错误的 speculative execution，访问到不该访问的信息，并且同样是通过 cache 这个side channel 传递出去。而且由于利用的分支预测原理普及率非常高，Spectre 的影响面更大一些。
关于这两个漏洞的论文在这里（为PDF英文文档）：
[1] Meltdown:
[2] Spectre:
[3] Flush-Reload Attack: （百度学术）
[4] KAISER:
注：看不懂没关系，你只用知道这两个漏洞是CPU设计缺陷所致，是无法完全修补的就可以啦
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