Intel CPU漏洞简述 Secer's Blog - 记录互联网安全历程与个人成长经历

0x00 简述:

最近Intel CPU爆出两个重大安全漏洞Spectre ,meltdown，漏洞广泛影响1995年之后的处理器。intel cpu存在设计上的缺陷，导致攻击者可以读取系统(windows或linux)kernel的内存，不受系统权限的限制。Spectre ,meltdown漏洞由Google研究团队ProjectZero发现，已经在2017-06-01把两个漏洞报告给相关cpu厂商。ProjectZero团队给出了有效的攻击方法。漏洞编号CVE-2017-5753，CVE-2017-5715，CVE-2017-5754。

0x01 漏洞简述：

该CPU漏洞可以让攻击者从用户态任意读取kernel的内存，彻底打破了由硬件保证的内存隔离，根据intel 白皮书描述，属于可预测的边信道攻击方式（Speculative Execution Side Channel Methods）Speculative execution本身是现代处理器为了提高性能引入的机制，通过对程序控制流的预测，判断哪些指令高频度执行，CPU中会有一个指令分析池，专门分析程序控制流，这种预测可以提高处理器的并行性能，这种Speculative execution操作本身并不影响处理器的状态，但是可以影响微处理器的状态，例如：存储在TLBs（Translate Look side Buffers）和caches（缓存）中的内容。边信道攻击（Side Channel Cache Methods）：边信道攻击和其他的安全漏洞不一样，边信道攻击可以用来获取系统的内存信息，但是这种攻击不会修改也不会删除内存数据。

0x02 漏洞原理：

Meltdown攻击：

了解这个漏洞原理之前，需要了解一些基础的计算机系统知识，包括系统乱序执行，地址翻译，以及系统cache, Meltdown的攻击目标是获取内核的内存内容。笔者介绍一下这个攻击主要利用的机制，为了把漏洞原理解释清楚，笔者采用汇编伪代码方式，假设:要读取的内核地址为0xFFFF0000 该地址的内容为0x00000001首先构造如下代码，代码执行在ring3

｛

1 ; rcx = kernel address  0xFFFF0000

2 ; rbx = probe array

retry:

3 mov al, byte [rcx]

4 shl rax, 0xc

jz retry

5 mov rbx, qword [rbx + rax]

｝

由于代码运行在用户态，在指令3中，一个仅有普通用户级权限的攻击者访问目标内核内存地址（存储在寄存器rcx中），正常代码逻辑会发生一个异常，原因是在用户态访问了内核地址，这一条指令将会触发访问异常，使得该指令和它之后的指令对寄存器的修改将被全部丢弃。但是在等待CPU完成执行该指令的同时，后两条指令因为预测执行实际上已经被执行过了，并且此时的计算是根据指令3所读取到的数据所进行，并不受CPU权限限制。指令4将会把这个数据乘以4096，并在指令5中将其作为offset来对数组probe array进行访问。由于一个内存页的大小是4KB，不同的数据将会导致不同的内存页被访问并存放到CPU缓存中。此后，另一个攻击者进程就可以通过缓存侧信道攻击，来探测哪个内存页被访问过了，从而推断出被访问的内核内存数据。

原理如图

之后利用缓存侧信道攻击

此时访问页面probe array page 1，和一个没有被加入到cache的页面，如果访问页面1的速度比较快，那就说明内核地址0xffff0000内容最低的bit为1，然后依次对每个位进行测试，得出任意的内核内存内容，完成信息泄漏。

Spectre攻击:

Spectre攻击利用了CPU的预测执行对系统进行攻击。预测执行是另外一种CPU优化特性。但是攻击方式相似，攻击者通过控制目标程序的某个变量或者寄存器，使其读取攻击者指定的内存地址。这里攻击者指定的内存地址的内容就是攻击者试图获取的机密数据（比如用户密码）。如果目标程序中含有将这个机密数据作为内存访问的指针或者数组offset，那么攻击者就可以利用缓存侧信道来提取被访问的内存地址，进而提取目标机密数据。

0x03 攻击与危害：

该漏洞不但影响Intel CPU系列产品，同时影响AMD系列CPU,本质上说，Meltdown和Spectra都是基于侧信道的攻击，主要用于信息泄漏，并不能对目标的内存进行修改。但是Meltdown攻击打破了原有的权限限制，可以读取操作系统中的任意内存，这就对云服务器以及个人电脑构成了很大的威胁。漏洞可以用于内存中某些重要内容的读取，例如系统密码hash,token等等。