詳解Meltdown&Spectre攻擊

安全研究人員發(fā)現(xiàn)CPU芯片硬件層面執(zhí)行加速機(jī)制，也就是亂序執(zhí)行（Out-of-Orderexecution)和推測(cè)執(zhí)行(Speculative Execution)，會(huì)引起 CPU緩存的污染，從而攻擊者可以發(fā)起基于cache的側(cè)信道攻擊偷取數(shù)據(jù)。目前主要涉及到兩種攻擊方法，分別為 Meltdown和 Spectre。Spectre涉及CVE編號(hào)CVE-2017-5753和CVE-2017-5715，而 Meltdown涉及 CVE編號(hào)CVE-2017-5754。

由于Meltdown和Spectre的攻擊是針對(duì)CPU硬件的缺陷進(jìn)行的攻擊，因此它們的攻擊范圍特別廣，存在于各種操作系統(tǒng)和云平臺(tái)上。近二十年的CPU/OS/VMM基本都受影響，包括從云端到桌面到移動(dòng)，對(duì)業(yè)界產(chǎn)生巨大沖擊。

這一漏洞主要用于偷取隱私數(shù)據(jù)，包括口令、證書和其他保密數(shù)據(jù)，甚至完整的內(nèi)存鏡像。值得慶幸的是這些攻擊不能修改數(shù)據(jù)。影響范圍包括：

CPU處理器：近二十年的Intel、AMD、ARM等處理器都有影響，其中對(duì)Intel處理器的影響尤為嚴(yán)重；

操作系統(tǒng)：Windows、Linux、Android、iOS 和macOS等；

虛擬機(jī)管理器：KVM、Xen等。

本文主要關(guān)注Intel CPU Meltdown和Spectre在不同場(chǎng)景下的攻擊及緩解措施，這些內(nèi)容對(duì)AMD/ARM的攻防也有重要的借鑒價(jià)值。這些漏洞雖然影響廣泛，但利用復(fù)雜，限制也很大。

攻擊的場(chǎng)景

Meltdown和Spectre具體有三個(gè)變種：

變種 1（V1）Spectre：繞過邊界檢查（CVE-2017-5753）；

變種 2（V2）Spectre：分支預(yù)測(cè)注入（CVE-2017-5715）；

變種 3（V3）Meltdown：亂序執(zhí)行的CPU緩存污染（CVE-2017-5754）。

典型的場(chǎng)景威脅：

1.對(duì)虛擬機(jī)管理器VMM的攻擊（A1）：攻擊者在VMM管理的一個(gè)VM中，完全控制此VM，比如擁有這個(gè)VM Kernel級(jí)別的權(quán)限，可以直接與VMM進(jìn)行交互。攻擊者通過利用這些漏洞，可以獲取VMM的敏感數(shù)據(jù)，或者獲取同一物理主機(jī)下的其他VM內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2.對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核的攻擊（A2）：攻擊者是用戶空間的一個(gè)應(yīng)用程序，擁有任意的代碼執(zhí)行能力。攻擊者通過利用這些漏洞，可獲取內(nèi)核內(nèi)的敏感數(shù)據(jù)，甚至包括內(nèi)核緩沖區(qū)的文件或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

3.對(duì)用戶空間其他用戶數(shù)據(jù)的攻擊（A3）：攻擊者是用戶空間的一個(gè)應(yīng)用程序，擁有任意的代碼執(zhí)行能力。攻擊者通過利用這些漏洞，獲取同一操作系統(tǒng)下的其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)，包括跨Docker的攻擊。

瀏覽器對(duì)用戶空間其他用戶數(shù)據(jù)的攻擊（A3w）：攻擊者只能通過網(wǎng)站頁面影響瀏覽器發(fā)起攻擊，可通過利用JavaScript、或Web Assembly等機(jī)制。

V3c組合攻擊：如果將V3攻擊置于V1/V2的預(yù)測(cè)執(zhí)行路徑上，可以完成V3攻擊，但不會(huì)觸發(fā)Kernel能感知的頁面異常，我們稱之為V3c組合攻擊。V3c組合攻擊的發(fā)現(xiàn)意味著A2攻擊場(chǎng)景下，要抵抗V3攻擊，必須要打內(nèi)核補(bǔ)丁。

攻擊的防御與緩解

防護(hù)措施都是有成本的，防護(hù)方可根據(jù)自己的場(chǎng)景來選擇必要的防護(hù)措施。

公有云VMM的運(yùn)營者，應(yīng)該保障VMM不受惡意攻擊，即A1層面的防護(hù)是必須要做到的，特別是V2攻擊。使用Xen的廠商也要關(guān)注V3攻擊的防御。

圖1 加入LFENCE指令在判斷語句之后，防止后面的代碼執(zhí)行推測(cè)運(yùn)行機(jī)制

云上租戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行防護(hù)。由于A2.V3防護(hù)的KPTI補(bǔ)丁有較為明顯的性能損耗，所以如果云上租戶在同一個(gè)VM內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)敏感級(jí)別區(qū)隔，而且對(duì)性能要求較高，那么可以繼續(xù)使用原始內(nèi)核。如果云上租戶在同一個(gè)VM內(nèi)部有多級(jí)數(shù)據(jù)敏感區(qū)隔，而且可執(zhí)行代碼不固定，并能接受額外的性能損耗，那么推薦使用打了安全補(bǔ)丁的內(nèi)核。

對(duì)于普通PC用戶，最大的威脅來自于瀏覽器訪問惡意網(wǎng)址以及感染上惡意代碼。這些防護(hù)與傳統(tǒng)PC安全沒有太大的區(qū)別，及時(shí)升級(jí)即可。

緩解方案

1.邊界檢查繞過的緩解——V1的緩解

V1攻擊高度依賴于特殊的代碼片段（Gadget）。因此，簡單有效的軟件解決方案就是插入一個(gè)Barrier來阻止推測(cè)運(yùn)行機(jī)制在這段特殊代碼里面執(zhí)行。Barrier可以選用LFENCE指令。而MFENCE同樣可以，不過它的性能損失比LFENCE大，實(shí)例如圖1所示。

對(duì)于Linux系統(tǒng)，禁用eBPF機(jī)制可以阻斷現(xiàn)有PoC攻擊，使得攻擊者無法通過eBPF接口注入V1 gadget到內(nèi)核空間，從而顯著提升Exploit的構(gòu)造難度。Intel的一個(gè)分析報(bào)告指出，可以作為V1攻擊的代碼片段在Linux內(nèi)核中很少。這樣使得攻擊者發(fā)起V1攻擊的可行性降低。

2.跳轉(zhuǎn)目標(biāo)注入攻擊的緩解——V2的緩解

對(duì)于跳轉(zhuǎn)目標(biāo)注入攻擊，有兩個(gè)可行的緩解方案。

RSB填充+BTB刷新。這是一個(gè)純軟件解決方案，其核心思想就是對(duì)跳轉(zhuǎn)目標(biāo)的Buffer,即RSB和BTB進(jìn)行清理，使得攻擊者注入的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)不再有效。因?yàn)镽SB是一個(gè)32個(gè)槽的循環(huán)Buffer，因此只需要32個(gè)虛假的call指令就可以把整個(gè)RSB清理一遍。BTB的槽從1K到16K不等，而且從虛擬地址到BTB索引的映射函數(shù)f(x)還不公開，因此要清除BTB，需要首先使用逆向工程方法找到f(x)，然后根據(jù)f(x)找到1K到16K的虛擬地址來對(duì)應(yīng)每個(gè)BTB的槽。最后發(fā)起1K到16K個(gè)虛假的call/jmp把所有BTB的槽清空（實(shí)例代碼如圖2所示）。需要指出，該方案的性能開銷很大。

微碼升級(jí)+系統(tǒng)軟件（VMM/Kernel)補(bǔ)丁。這個(gè)緩解方案需要CPU微碼升級(jí)和系統(tǒng)軟件（VMM/Kernel）更新。CPU微碼的升級(jí)提供了三個(gè)新的接口給系統(tǒng)軟件：

Indirect Branch Restricted Speculation(IBRS)。當(dāng)IBRS被設(shè)置上時(shí)，高優(yōu)先級(jí)代碼不會(huì)使用低優(yōu)先級(jí)的跳轉(zhuǎn)地址。比如VMM不會(huì)使用任何VM提供的地址，Kernel也不會(huì)使用任何用戶進(jìn)程提供的地址。

Single Thread Indirect Branch Predictors(STIBP)。當(dāng)STIBP被設(shè)置上時(shí)，同一物理CPU上的兩個(gè)HyperThreading邏輯內(nèi)核直接的跳轉(zhuǎn)地址不再共享。

Indirect Branch Predictor Barrier(IBPB)。當(dāng)IBPB被設(shè)置時(shí)，之前的跳轉(zhuǎn)地址不會(huì)影響之后的跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)。這個(gè)功能一般用于從高優(yōu)先級(jí)到低優(yōu)先級(jí)切換上下文的時(shí)候。比如VMM回到VM或Kernel回到用戶空間。

圖2 BTB Flushing，使用 1K或16K跳轉(zhuǎn)來清空BTB

這三個(gè)功能是否支持可以用CPUID加ax=0x7來檢測(cè)。返回結(jié)果中rdx的第26位表明這三個(gè)新功能是否支持。對(duì)系統(tǒng)軟件（VMM/Kernel）的更新，各個(gè)操作系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)的補(bǔ)丁。

如果無法得到微碼升級(jí)，可以考慮使用Retpoline指令替換技術(shù)進(jìn)行防御，替換掉容易被V2攻擊的間接跳轉(zhuǎn)和間接調(diào)用指令。

此外，類似于V1，Linux下關(guān)閉eBPF也可以有效的提升V2攻擊的難度。

3.Meltdown攻擊的緩解措施——V3的緩解

抵御Meltdown攻擊最有效的方式就是KAISER/KPTI。KAISER/KPTI方案中要求操作系統(tǒng)維護(hù)兩個(gè)頁表，一個(gè)頁表給用戶程序使用，一個(gè)給Kernel自己使用。并且確保程序所使用的頁表不會(huì)映射高優(yōu)先級(jí)的頁面，即不會(huì)映射Kernel的頁面。KAISER/KPTI方案最早提出時(shí)是為了側(cè)信道攻擊對(duì)內(nèi)核地址隨機(jī)化（KASLR）的影響，該方案恰巧也可以用來抵御Meltdown攻擊。

兩個(gè)頁表的切換，會(huì)導(dǎo)致CR3的重新加載，從而引起TLB刷新，進(jìn)而降低內(nèi)存的訪問速度。如果某些應(yīng)用場(chǎng)景需要大量的內(nèi)核和用戶空間切換（兩個(gè)頁表之間的切換），會(huì)造成較高的性能開銷。為了降低這些性能開銷，Kernel需要使用充分的利用PCID特性，把TLB的刷新降低。

結(jié)語

本文針對(duì)Meltdown和Spectre攻擊及其緩解措施進(jìn)行了總結(jié)。由于防護(hù)措施都是有成本的，本文給防護(hù)方提供一個(gè)指南，可以根據(jù)自己的場(chǎng)景來選擇必要的防護(hù)措施。本文也指出一些組合攻擊方式，比標(biāo)準(zhǔn)攻擊威脅更大。因此需要盡快部署相關(guān)防護(hù)措施。