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RISC-V

作为一种全新的开源CPU指令集体系结构（ISA），目前无论是在高校与各研究机构，还是商业应用中，皆方兴未衰，大有与X86

和ARM

形成成三足鼎立之势。但对于RISC-V CPU本身的安全, 却资料少而凌乱，晦涩难懂，面目狰狞，拒人于千里之外。故有此冲动，写几篇有关RISC-V CPU侧信道攻击

的文章，介绍RISC-V CPU侧信道攻击的原理和作者本人的实践；作者研究CPU侧信道攻击的初衷也是为“防守”，意在为某款RISC-V CPU提供一个安全性验证平台，验证该CPU安全设计加固方案之有效性。
我将用一系列文章来来介绍：
- 什么是CPU侧信道攻击？
- 导致CPU产生侧信道攻击风险的微架构设计技术
- Spectre

攻击的种类与攻击方法细节； - Meltdown攻击原理与工具过程；
- 降低CPU侧信道攻击风险的手段
那就让我们开始吧。 - 侧信道攻击概述
1.1什么是侧信道攻击
1.1.1 日常生活中的侧信道攻击
在科技日新月异的今天，在享受高科技带来的幸福感的同时，我们的隐私也会在不知不觉中从各种渠道被泄露出去，有些甚至你完全想不到，可以说防不胜防，比如说，你想过单从按键声音就分析出你的手机号码么？大家可能听说过网友“清华南都”就根据一段视频中的按键音，还原出了360总裁周鸿祎的手机号。事情起源于优酷的记者电话采访周鸿祎先生的一段视频. 在视频的第33-43秒，记者与周鸿祎先生进行了电话连线，视频播放把整个拨号过程也原封不动地播放了出来，包括在电话拨号阶段的产生的电话拨号音，“清华南都”就根据这段拨号音结合一些DTMF

（双音多频, Dual-tone multi-frequency）的技术基础，破解这个电话号码；
在这个事情中，如果把周鸿祎先生的电话号码当做一个高度机密信息(private data)的话，“清华南都”本人并没有看到过周先生的电话号码，也没有采用暴力破解的方式一个个电话号码去尝试，而“清华南都”通过分析声音特征信息获取了该机密信息，这个过程从技术范畴的角度讲就是一种利用了声波信息的“侧信道攻击”。
那到底什么是侧信道攻击？维基百科是这么定义的：“在密码学中，侧信道攻击（Side-channel attack）是一种攻击方式，它基于从密码系统的物理实现中获取的信息，而非暴力破解法或是算法中的理论性缺陷，例如利用时间信息、功率消耗、电磁泄露或甚是声音可以提供额外的信息，来对系统的破解。”
这个定义对于非密码学行业从业人员来讲还是非常抽象的。我们简单一点理解就是利用一些“旁门左道”的手法来获取我们需要的机密信息；比如我们经常在电视剧中看到的一个场景：一个窃贼将听诊器压在保险柜的前面板上，通过内部的机械声来打开保险柜。小偷会慢慢地转动转盘，听着内部机械结构所泄露出的咔哒声或阻力声，来分析保险箱齿轮的内部运作，并从而得知其密码的组合。除了拨号盘上的数字和保险柜“是”或“否”的打开状态以外，这个保险柜并不会给用户任何反馈。但保险箱的物理机械所产生的那些微小的触动和声音线索，这也是一个典型的侧信道攻击。
某网站（https://www.wired.com/story/lamphone-light-bulb-vibration-spying/...）曾经公布了一项新技术（lamphone）：“通过使用望远镜观察室内悬挂的灯泡的振动（通过灯泡所发出的光的微弱变化），可以实时窃听房间内的对话”。这种技术将测信道攻击变得更加具有广泛性。

1.1.2 计算机领域的侧信道攻击
计算机领域的侧信道攻击是利用计算机不经意间释放出的信息信号（如电磁辐射，电脑硬件运行产生的声音）来进行破译的攻击模式：例如，黑客可以通过计算机显示屏或硬盘驱动器所产生的电磁辐射，来读取你所显示的画面和磁盘内的文件信息；或是，通过计算机组件在执行某些程序时需要消耗不同的电量，来监控你的电脑；亦或是，仅通过键盘的敲击声就能知道你的账号和密码。
最早的计算机侧信道攻击之一，是美国国家安全局(National Security Agency)所称的TEMPEST

。1943年贝尔实验室发现，每当有人在电传打字机上打字时，电传打字机会导致附近示波器的读数移动。贝尔实验室的研究人员很快意识到这一问题。电传打字机的目的是为了实现安全、加密的通信，但任何接近它的人，只要能读到它的电磁辐射，就有可能破译它的秘密。这种现象直到1985年才被完全公开记录下来，当时一位名叫维姆·范·埃克（Wim van Eck）的计算机研究人员发表了一篇论文，这就是后来被称为 "屏幕辐射窃密（van Eck phreaking）"，即通过远距离检测电脑屏幕放电的电信号，在电脑屏幕上重建图像。
计算机领域的侧信道攻击，目前使用最为广泛的攻击手段就是基于时序的攻击（timing attack）。讲了那么多故事，让我们来看一段代码直观地了解一下什么是时序攻击：
这是某产品中的一个秘钥比对函数，假设这个函数的用户无法看到源码（也不进行反汇编），我们只是通过库函数的头文件知道这个函数接口定义为int does_password_match(char * input_password)。那我们怎么能够快速地获取函数内部设定的机密信息strPrivateKey的值呢？
你可能首先想到的是采用暴力破解方式，逐一尝试各种字符组合，直到函数返回true为止；如果这个秘钥只使用字母和数字，并且秘钥的最大长度7，那你需要尝试的最大次数为62**7=3,521,614,606,208【注26大写字母+26小写字母+10数字）。
如果我们利用一下这个函数的timing信息，测量一下这个函数的处理时间，我们其实可以有一种更为快捷的方法，我们可以采用逐位破解的方法快速地完成这个任务；因为我们输入的密码与机密信息的匹配度越高，该函数的处理时间越长，这样我们通过测量这个函数的处理时间就可以判断前面的第一位，第二位，第三位等是否验证通过；则最坏的尝试的次数为62*7=434；用这种方式实现的一个产品（比如密码门禁系统），通过采用timing-attack的方法，其破解是完全可以通过人力的方式在数分钟内完成的；

1.1.3 CPU的侧信道攻击
目前随着超标量CPU技术的飞速发展，其处理性能大幅提升的同时, 以计算机为中心的侧信道攻击也变得更加复杂和手段多样。所谓道高一尺，魔高一丈； 2018伊始，两个芯片级漏洞Meltdown（熔断）、Spectre（幽灵）漏洞震惊了安全界。受影响的CPU包括Intel、AMD和ARM，基本囊括的消费级CPU市场的绝大部分。Meltdown漏洞可以在用户态越权读取内核态的内存数据，Spectre漏洞可以通过浏览器的Javascript，读取用户态的内存数据。这两个漏洞摧毁了公有云的基石（用户数据隔离），因为通过Meltdown和Spectre的攻击，用户在虚拟机里就可以无限制的读取宿主机或者其他虚拟机的数据。
Spectre、Meltdown等攻击方式利用了微处理器的 "微架构"设计中的这些特性（站在安全的角度也可以叫漏洞，包括但不局限于分支预测，推断执行，乱序执行，等）。随着计算机变得越来越复杂，如果计算行业继续优先考虑性能而不是安全，侧信道攻击将会越来越猖獗，今天一个你看似巧妙的设计，非常有可能成为明天攻击的一个突破口。
1.2 侧信道攻击的分类
对于CPU侧信道攻击，很多公司（比如google和微软）成立了专门的安全团队，用来发现目前市场上主流CPU的安全风险并提供安全解决方案以降低危害（mitigation of the risk）。 随着对上述meltdown和Spectre攻击方式的研究深入，越来越多的基于meltdown和spectre的变种被开发了出来。参考文献[A Systematic Evaluation of Transient Execution Attacks and Defenses]对瞬态执行攻击进行了系统的分析，并把当前已经发现的针对CPU微架构的侧信道攻击方法进行了总结与归类（见图），文献的作者认为当前大部分的安全防护方法无法有效应对当前如此多的攻击方式带来的安全风险。
本系列文章主要描述如下几种Spectre变种攻击方式:
• Variant 1 (Spectre_PHT): bounds check bypass
• Variant 2 (Spectre_BTB): branch target injection
• Variant 4 (Spectre_STL): Store bypass
• Variant 5 (Spectre_RSB): Return Stack Buffer
【注：PHT: Pattern History Table, BTB:Branch Target Buffer, STL:Store To Load
, RSB:Return Stack Buffer】
Meltdown属于 Variant 3, Meltdown还可以进一步细分为:
• Meltdown-US(Supervisor-only Bypass)
• Meltdown-P(Virtual Translation Bypass)
• Meltdown-GP(System Register Bypass)
• Meltdown-NM(FPU Register Bypass)
• Meltdown-RW(Readonly Bypass)
• Meltdown-PK(Protection Key Bypass)
• Meltdown-BR(Bounds Check Bypass)
我们重点关注高性能CPU的一些通用设计带来的风险，而对于某些厂家独特设计带来的问题，本文不做过多的描述。
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