cpu熔断与幽灵攻击

时间：2021-08-10

出处：小白学黑客（ID：xiaobaihacker）

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大家好，我是小白哥。

提到网络攻击技术，你脑子里首先想到的是什么？

是DDoS？

是SQL注入、？

还是、（远程代码执行）？

这些最常见的网络攻击技术，基本上都是与网络、软件、代码、程序这些东西相关。

这也好理解，计算机网络安全，不跟这有关，还与什么有关系？

今天跟大家介绍一下，攻击技术，除了这些，还有一些脑洞大开的方式，它们可能跟、、、等各种物理相关的元素相关，看完绝对让你瞠目结舌！

这些不同于传统软件安全方向，而是从其他侧面进行的网络攻击，称作侧信道攻击，也叫边信道攻击。

内存冷冻

请大家思考一个问题：如果计算机突然断电，内存里的数据是不是瞬间就没了？

内存大家都知道，计算机运行离不开这东西，程序指令和数据都存储在这里，但你知道内存条存储数据的原理吗？

看到图中那一块块黑色的东西了吗？那就是内存条存储数据的地方：内存颗粒。

在内存颗粒里面，是超大规模集成电路，里面是密密麻麻的存储单元格，每一个单元格存储一个比特位：

这个单元格中的核心部件是一个电容，电容有电压，如果电压在一定范围内，这个单元格就是1，否则就是0。通过无数个这样的单元格，构成了GB级的存储空间。

但大家学过物理应该知道，电容是一个不稳定的元件，随着时间的流逝，电荷会泄漏，如果不加以控制，内存条中的电压最终就会变成0，内存中的数据也就不准确了。

因此，内存在工作的时候，需要定时的进行数据刷新，对电容进行充电，一般最多64ms就得充一次电，才能保存数据的准确性。

好了，内存的背景知识交代完毕，现在回到本节一开始提到的那个问题：计算机突然断电了，内存中的数据瞬间就没了吗？

内存中的数据是通过电容这种电子元件在承载，电容充放电都是需要时间的，所以可以大胆猜测，即使断电了，内存中的数据全部消失也是需要时间的。

国外有人脑洞大开，做了一项实验，测试内存条断电后，里面的数据随着时间的流逝，消失的情况。

普通数据不方便观察，用图片最直接，实验中将一张蒙娜丽莎的图片载入内存中，然后断电，然后计算不同时间后，这张图的变化情况：

可以看到，在断电后的5s内，图片数据肉眼上看不到变化，30s后也影响不大，一分钟后也能依稀可见，5分钟后才彻底看不到。

而更重要的是，如果温度降低时，电容中电荷遗漏的速度将更加缓慢。下面这个表格是测试内存条数据错误率在正常情况和冷冻情况下的比较。

如上图所示，红色框是不冷冻情况，蓝色框是在零下50摄氏度情况，可以看到，在冷冻情况下，一分钟后，数据的错误率是0，即便是在300秒（5分钟）后，错误率也只有惊人的0.0095%。

所以，一种新的攻击方式就出来了：使用内存冷冻的方式，可以从内存条中提取数据。

内存中有什么数据？很多程序的密码密钥可能都存在于内存之中，最典型的比如Windows的开机密码。

以为电脑关机了就安全了？可不是这么回事哦！

熔断与幽灵

熔断与幽灵漏洞攻击大家应该不会陌生，在2017年刚刚爆发出来的时候，占据了无数媒体的头条，可见影响力之广。

在讲述这个漏洞之前，先请大家看一个故事。

学过计算机组成原理的朋友可能都知道，CPU有两个重要的特性：分支预测和乱序执行。

在执行到判断分支的时候（比如if判断），CPU会根据它自己的“经验”来判断，一会儿可能会走入哪一个分支，从而提前执行一些这个分支的指令，这叫分支预测。

另外，CPU在执行一些指令的时候，可能并不是按照顺序一条执行完再执行下一条，而是可能在会预执行一些CPU认为可以提前执行，对程序流程无关的指令，这个叫乱序执行。

但CPU认为可以提前执行，那就真的可以提前执行吗，执行了可能对程序本身流程没有影响，但会不会有什么副作用呢？

先留这个问题，一会儿再说，先来看另一个概念：。

CPU执行程序需要频繁与内存通信，读取数据或者写入数据。但内存的响应速度比CPU慢多了，于是CPU在其内部加了一块，将最近要用的数据放到这里来，避免每一次都从内存访问，提高工作效率。

因此，同样读取一个数据，从内存读和从缓存读，时间上是有差异的。

熔断与幽灵正是利用这一点，来进行了系统攻击。

假如你想读取操作系统内核的数据，但因为系统安全机制，应用程序是无法直接访问内核空间的，但这个漏洞就可以帮你实现内核空间数据的读取。

下面这段程序，先执行几十次，每次传入的x都小于16，每次都走入同一个分支，训练CPU，让它获得一些“经验”，让它认为 < 16是大概率要执行的分支，然后启用乱序执行，提前执行x < 16这个分支中的指令。

void bad_guy( x) {  (x < ) {  temp &= array2[array1[x] * ]; }}

来看一下，在上面这个例子中，x < 16这个分支中会通过array1这个数组访问内存，假设x突然来了一个很大的数，这样通过array1[x]访问的内存地址就溢出到了内核空间了。

乱序执行的后果，会提前计算array1[x] * 512，并将其作为下标访问array2数组的内容，然后会将这个内容从内存条加载到CPU缓存中。

突然冷不丁的来一个大于16的参数，这下它提前执行的指令就白费了。

而随后，CPU发现了这一次x是大于16的，不应该走到这个分支中来，上面描述的这一段活就白干了。

虽然是白干了，但它做了一件事：把array2数组对应下标的那一块数据从内存搬到缓存了。

这时再依次访问array2数组的每一个元素，就能知道刚才的下标，再进一步可以推断出那个内核空间的值。

然后不断变换x的输入，可以知道任意内核地址空间的数据。

这就是熔断与幽灵漏洞的核心思想：通过分支预测+乱序执行+缓存内存访问时间差异来推断内核数据。

计时攻击

熔断与幽灵，其实是利用了CPU访问内存和访问缓存的时间差来透露信息，从而实现数据泄漏，也就是说，利用的核心是这个物理量。

而利用时间的另一个经典攻击方式就是计时攻击。

给大家举个例子，如果要使用C语言编写一个函数，用来判断输入的密码是否正确，有人可能会这样写：

bool check_passwd(char* input) {  bool result = false;  const char* passwd = "XiaoBaiGe2021";   (input) {     (strlen(input) != strlen(passwd)) {      return false;    }      const char* p1 = input;    const char* p2 = passwd;    while (*p1 && *p2) {       (*p1 == *p2) {        p1++;        p2++;      } else {        break;      }    }         (*p1 == '\0' && *p2 == '\0') {      result = true;    }  }    return result;}