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CPU处理器内核存在Meltdown和Spectre漏洞分析

日期：2018-01-08

综述：

近期通用CPU处理器内核被爆出多个安全漏洞，这些漏洞允许用户绕过芯片及系统的安全设置去读取任意内核中的数据。由于是CPU层级的漏洞，因此这些漏洞理论上影响所有使用通用CPU的操作系统和软件。

影响范围：

Intel CPU

AMD CPU

ARM CPU

CVE编号：

CVE-2017-5754

CVE-2017-5753

CVE-2017-5715

漏洞信息：

现代通用处理器（CPU）的运作机制中存在两个用于加速执行的特性，推测执行（Speculative Execution）和间接分支预测（Indirect Branch Prediction）。推测性执行是一种优化技术，CPU会基于猜测或概率的角度，在当前的指令或分支还未执行完成前就开始执行可能会被执行的指令或分支，如果猜测正确，则直接继续执行，以此加速cpu的执行进度。如果猜测失败，则cpu取消该操作进行回滚，回滚的过程并不影响cpu的处理速度。这种预测执行的方式能够有效提高cpu的执行速度，但是也带来了安全风险。尽管cpu架构状态会被快速回滚，但是TLB和缓存状态并不会很快回滚，攻击者通过寻找或构建一些指令就可以在CPU回滚的时间窗口里进行一系列的越权访问，造成内核中的数据泄漏。目前类似的攻击方式有三种：

边界检查绕过（CVE-2017-5753）——通过污染分支预测，来绕过kernel或hypervisor的内存对象边界检测。比如，攻击者可以对高权级的代码段，或虚拟环境中hypercall，通过构造的恶意代码来触发有越界的数据下标，造成越界访问。
分支目标注入（CVE-2017-5715）——污染分支预测。抽象模型比较好的代码往往带有间接函数指针调用的情况，CPU在处理时需要会进行必要的内存访问，这个过程有点慢，所以CPU会预测分支。攻击者可以通过类似的ROP的方式来进行信息泄露。
流氓数据加载（CVE-2017-5754）——部分CPU上，为了速度并不是每次都对指令作权限检查的，检查的条件存在一定的缺陷。

其中CVE-2017-5754漏洞可以用来破坏用户程序和操作系统之间的基本隔离，允许攻击者未授权访问其他程序和操作系统的内存，获取其他程序和操作系统的敏感信息，被称为Meltdown漏洞。

CVE-2017-5715和CVE-2017-5753可以用来破坏不同应用程序之间的隔离，允许攻击者读取其他程序的敏感数据，被称为Spectre漏洞。