Meltdown与Spectre可访问性概述（上篇）
在过去几周，现代处理器中两个关键设计缺陷的细节终于向公众披露。关于Meltdown和Spectre的影响已有大量讨论，但关于这些攻击原理及运作方式的详细说明却很少。本文将尽力弥补这一空白。
本文旨在以未学过计算机架构课程者也能理解的方式，解释Meltdown和Spectre攻击的工作原理。部分技术细节会大幅简化或省略，但您将理解核心概念以及为何Spectre和Meltdown如此重要且技术上有趣。
本文分为两部分以便阅读。第一部分（即本文）从计算机架构速成课开始提供背景知识，并解释Meltdown的实际作用。第二部分说明Spectre的两种变体，并讨论为何这些存在25年的漏洞现在才被修复。
背景知识
首先快速概述一些重要的计算机架构概念，以及关于硬件、软件及其协同工作的基本假设。这些是理解漏洞及其原理的必要基础。
软件是指令和数据
您使用的所有软件（如Chrome、Photoshop、Notepad、Outlook等）都是由计算机处理器执行的一系列小型独立指令。这些指令对存储在内存（RAM）和称为寄存器的特殊存储位置小表中的数据进行操作。几乎所有软件都假设程序指令按顺序执行。这一假设既合理又实用——相当于假设时间旅行不可能——使我们能够编写功能正常的软件。
Windows上notepad.exe中的这些Intel x86-64处理器指令展示了软件在指令级别的样子。箭头从分支指令流向其可能的目的地。
处理器设计追求速度
处理器设计旨在追求速度。非常非常快。现代Intel处理器每秒可执行约3000亿条指令。速度推动新处理器销售。消费者需求速度。计算机工程师找到了一些非常聪明的方法来提高计算机速度。其中三种技术——缓存、推测执行和分支预测——是理解Meltdown和Spectre的关键。您可能已经猜到，这些优化与计算机硬件执行指令的顺序假设相冲突。
缓存
处理器执行指令非常快（每条约2纳秒）。这些指令需要存储在某个地方，它们操作的数据也是如此。这个地方称为主内存（即RAM）。读写RAM的速度比处理器执行指令的速度慢50-100倍（约100纳秒/操作）。
因为读写内存速度慢（相对于指令执行速度），现代处理器的关键目标是避免这种缓慢。实现这一目标的一种方法是假设大多数程序的共同行为：它们反复访问相同的数据。现代处理器通过将频繁访问的内存位置内容副本存储在“缓存”中，来加速对这些位置的读写。该缓存位于芯片上，靠近执行指令的处理器核心。这种接近性使得访问缓存内存位置比离片访问RAM中的主存储快得多。缓存访问时间因缓存类型及其位置而异，但大约在1纳秒到3纳秒之间，而访问RAM则需要约100纳秒。
Intel Nehalem处理器晶圆图像（第一代Core i7，取自新闻稿）。缓存有多个级别，按距离执行电路的远近编号。L1和L2缓存在核心本身（可能是核心图像的右下/左下部分）。L3缓存在晶圆上但在多个核心之间共享。缓存占用大量昂贵的处理器空间，因为性能提升值得这样做。
与主内存容量相比，缓存容量很小。当缓存填满时，任何放入缓存的新项目必须驱逐现有项目。由于内存和缓存访问时间存在显著差异，程序可以通过计时访问所需时间来告知请求的内存位置是否被缓存。我们稍后将深入讨论这一点，但这种基于缓存的时间侧信道正是Meltdown和Spectre用来观察内部处理器状态的方法。
推测执行
一次执行一条指令速度慢。现代处理器不会等待。它们同时执行一束指令，然后重新排序结果以假装所有指令按顺序执行。这种技术称为乱序执行。从性能角度来看很有意义：一次执行4条指令需要8纳秒（4指令 x 2纳秒/指令）。同时执行4条指令（在现代处理器上可实现）仅需2纳秒——速度提升75%！
虽然乱序执行和推测执行有不同的技术定义，但出于本文目的，我们将两者都称为推测执行。我们觉得这是合理的，因为乱序执行本质上是推测性的。一束指令中的某些指令可能不需要执行。例如，像除以零这样的无效操作可能会停止执行，从而迫使处理器回滚同一束指令中后续指令执行的操作。
推测执行指令获得的性能可视化。假设有4个执行单元且指令互不依赖，顺序执行需要8纳秒，而乱序执行需要2纳秒。请注意，此图极度简化，故意未显示真实处理器中发生的许多重要事情（如流水线）。
有时，处理器对将执行哪些指令的猜测是错误的。在这些情况下，推测执行的指令必须“取消执行”。您可能已经猜到，研究人员发现未执行指令的一些副作用仍然存在。
导致推测执行猜测错误的注意事项很多，但我们将重点关注与Meltdown和Spectre相关的两个：异常和分支指令。当处理器检测到规则被违反时会发生异常。例如，除法指令可能除以零，或内存读取可能无权限访问内存。我们将在Meltdown部分进一步讨论这一点。第二个注意事项分支指令告诉处理器下一步执行什么。分支指令对于理解Spectre至关重要，并在下一节进一步描述。
分支预测
分支指令控制执行流程；它们指定处理器应获取下一条指令的位置。对于本次讨论，我们只对两种分支感兴趣：条件分支和间接分支。条件分支就像道路上的岔路口，因为处理器必须根据条件值（例如A > B；C = 0；等）选择两个选项之一。间接分支更像一个门户，因为处理器可以去任何地方。在间接分支中，处理器读取一个值，该值告诉它在哪里获取下一条指令。
条件分支及其两个潜在目的地。如果cmp指令的两个操作数相等，则采取此分支（即处理器将执行绿色箭头处的指令）。否则不采取分支（即处理器将执行红色箭头处的指令）。代码取自notepad.exe。
间接分支。此分支将重定向执行到内存位置0x10000c5f0处的任何地址。在这种情况下，它将调用initterm函数。代码取自notepad.exe。
分支发生非常频繁，并且妨碍推测执行。毕竟，处理器直到分支条件计算完成后才知道要执行哪些代码。处理器解决这一困境的方法称为分支预测。处理器猜测分支目的地。当猜测错误时，已执行的操作被取消执行，并从正确位置获取新指令。这种情况不常见。现代分支预测器在正常工作量下准确率轻松达到96%以上。
当分支预测器错误时，处理器会在错误上下文中推测执行指令。一旦发现错误，这些幽灵指令将被取消执行。正如我们将解释的，Spectre漏洞表明可以控制分支预测器并确定那些未执行指令的某些影响。
Meltdown
现在让我们应用上述计算机架构知识来解释Meltdown。Meltdown漏洞是（几乎）自1995年以来发布的每个Intel处理器中的设计缺陷。Meltdown允许特制程序读取其本应无权访问的核心操作系统内存。
处理器通常有两种特权模式：用户模式和内核模式。用户部分用于您日常交互的正常程序。内核部分用于操作系统的核心。内核在您机器上的所有程序之间共享，确保它们可以协同工作并与计算机硬件交互，并包含您可能不想暴露给所有运行程序的敏感数据（击键、网络流量、加密密钥等）。因此，不允许用户程序读取内核内存。确定内存哪些部分是用户部分、哪些部分是内核部分的表也存储在内存中。
想象一种情况：某些内核内存内容在缓存中，但其权限不在缓存中。检查权限将比简单读取内容值慢得多（因为它需要内存读取）。在这些情况下，Intel处理器异步检查权限：它们启动权限检查，无论如何读取缓存值，并在权限被拒绝时中止执行。因为处理器比内存快得多，在权限结果到达之前，可能已经推测执行了数十条指令。通常，这不是问题。权限检查失败后发生的任何指令都将被丢弃，就像从未执行过一样。
研究人员发现，可以推测执行一组指令，即使取消执行后也会留下可观察的迹象（通过缓存时间侧信道）。此外，根据内核内存的内容可能留下不同的迹象——这意味着用户应用程序可以间接观察内核内存内容，而无需有权读取该内存。
技术细节
Meltdown核心问题的图形表示，使用以下步骤描述的术语。可以无权限推测读取核心系统内存。这些临时推测读取的效果在指令中止和取消执行后本应不可见。事实证明，推测执行的缓存效应无法撤销，这创建了一个基于缓存的时间侧信道，可用于无权限读取核心系统内存。
高层次上，攻击工作原理如下：
- 用户应用程序请求一大块内存（称为bigblock），并确保其中没有任何部分被缓存。该块逻辑上分为256片（bigblock[0]、bigblock[1]、bigblock[2]、…、bigblock[255]）。
- 进行一些准备以确保内核地址的内存权限检查需要很长时间。
- 乐趣开始！程序将从内核内存地址读取一个字节——我们称此值为secret_kernel_byte。提醒一下，字节可以是0到255范围内的任何数字。此操作启动了权限检查和处理器之间的竞赛。
- 在权限检查完成之前，硬件继续推测执行程序，该程序使用secret_kernel_byte读取bigblock的一片（即x = bigblock[secret_kernel_byte]）。即使指令后来被撤销，对bigblock一片的使用也会缓存该片。
- 此时权限检查返回权限被拒绝。所有推测执行的指令被取消执行，处理器假装从未在bigblock[secret_kernel_byte]处读取内存。只有一个问题：bigblock的一片现在在缓存中，而之前不在。
- 程序将计时读取bigblock每一片所需的时间。由于推测执行而缓存的片读取速度将比其余部分快得多。
- bigblock中的片索引就是secret_kernel_byte的值。例如，如果bigblock[42]的读取速度比任何其他条目快得多，则secret_kernel_byte的值必为42。
- 程序现已通过缓存时间侧信道和推测读取了内核内存中的一个字节。
程序现在可以继续读取更多字节。Meltdown论文作者声称使用此技术可以以503 KB/s的速度读取内核内存。
影响是什么？
恶意软件可以使用Meltdown更轻松地在您的桌面上获得永久立足点，并监视您的密码和网络流量。这绝对很糟糕。您应该去应用修复程序。然而，恶意软件已经可以做到这些事情，尽管需要更多努力。
如果您是云提供商（如Amazon、Google或Microsoft）或拥有主要互联网基础设施的公司（如Facebook），那么这个漏洞绝对是一场灾难。很难强调这个漏洞有多糟糕。问题在于：云的工作原理是将大型数据中心划分为许多可按分钟租用的虚拟机。一台物理机器可以有数百个不同的虚拟租户，每个都运行自己的自定义代码。Meltdown打破了租户之间的墙：每个租户都可能看到其他租户所做的一切，如他们的密码、加密密钥、源代码等。注意：物理硬件虚拟化的方式很重要。Meltdown在某些情况下不适用。细节超出本文范围。
Meltdown的修复会带来性能损失。有些消息来源说是5-30%的性能损失，有些说可以忽略不计，其他说个位数到明显。我们确切知道的是，旧Intel处理器受到的影响比新处理器大得多。对于桌面机器，这稍微不便。对于大型云提供商或互联网公司，整个基础设施5%的性能损失是巨大的代价。例如，Amazon估计有200万台服务器。5%到30%的减速可能意味着购买和安装10万台（5%）到60万台（30%）额外服务器以匹配先前能力。
我应该做什么？
请安装操作系统（即MacOS、Windows、Linux）的最新更新。所有主要软件供应商已发布应由自动更新程序应用的修复程序。
所有主要云提供商已在内部部署修复程序，您作为客户无需担心。
待续…
我们希望您对计算机架构概念和Meltdown背后的技术细节有更好的理解。在本博客文章的后半部分，我们将解释Spectre V1和Spectre V2的技术细节，并讨论这些漏洞为何能在过去25年中隐藏。技术背景将变得更加复杂，但漏洞也更有趣。
最后，我们想提醒读者，本文旨在让没有计算机架构背景的人也能理解，我们真诚希望成功解释了一些困难概念。Meltdown和Spectre论文以及Project Zero博客文章是了解更多血腥细节的更好来源。