背景知识
首先快速回顾关键的计算机架构概念，这些是理解漏洞原理的基础：
软件即指令与数据
所有软件（如Chrome/Photoshop等）都是由处理器执行的指令序列，这些指令操作内存（RAM）和寄存器中的数据。软件默认指令按顺序执行——这个假设如同"时间旅行不可能"般基础且必要。
处理器的速度优化
现代Intel处理器每秒可执行约3000亿条指令。三个关键优化技术——缓存、推测执行和分支预测——与指令顺序执行假设存在潜在冲突。
缓存机制
- 内存访问速度（~100ns）比指令执行（~2ns）慢50-100倍
- 处理器通过多级缓存（L1/L2/L3）存储高频访问数据
- 缓存访问速度（1-3ns）显著快于主内存
- 通过测量内存访问时间，程序可探测数据是否被缓存（形成侧信道）
推测执行
- 现代处理器并行执行指令束后重排序结果（乱序执行）
- 执行4条指令：顺序执行需8ns，并行执行仅需2ns（提速75%）
- 当预测错误时（如除零异常），需"撤销"已执行指令
- 研究发现某些撤销指令的副作用仍会残留
分支预测
- 条件分支（if-else）和间接分支（函数指针）控制执行流
- 现代分支预测器准确率>96%
- 预测错误时，处理器会用错误上下文推测执行指令
- Spectre漏洞证明可操控分支预测器并检测错误执行痕迹
Meltdown漏洞原理
Meltdown是自1995年以来几乎所有Intel处理器都存在的设计缺陷，允许用户程序读取本应无权访问的内核内存。
权限隔离机制
处理器通常有两种特权模式：
- 用户模式：运行普通应用程序
- 内核模式：运行操作系统核心，包含敏感数据（按键记录、加密密钥等）
漏洞核心
当满足以下条件时：
- 内核内存内容已在缓存中
- 权限检查表未在缓存中（需从主存读取） Intel处理器会异步检查权限：先读取缓存值，若权限检查失败再中止执行。由于内存速度限制，可能有数十条指令被推测执行。
研究者发现：即使指令被撤销，通过缓存时序侧信道仍可观测到推测执行的痕迹，且痕迹内容与内核内存值相关。
攻击步骤详解
- 用户程序申请大内存块
bigblock（分为256段）并确保其未被缓存 - 精心构造使内核地址权限检查延迟
- 尝试读取内核字节
secret_kernel_byte（0-255） - 在权限检查完成前，处理器推测执行
x = bigblock[secret_kernel_byte]导致对应段被缓存 - 权限检查失败后，虽然指令被撤销，但
bigblock的特定段仍保留在缓存中 - 通过测量读取
bigblock各段的时间差异，可推断secret_kernel_byte的值 - 重复该过程可实现503KB/s的内核内存读取速度
影响范围
- 个人电脑：恶意软件可窃取密码/网络流量等（需立即更新系统）
- 云服务商（AWS/Google等）：灾难性漏洞，可能突破虚拟机隔离，导致租户间数据泄露
- 性能损失：修复补丁导致5-30%性能下降，对拥有200万服务器的AWS意味着需额外部署10-60万台服务器
应对措施
- 立即安装操作系统更新（MacOS/Windows/Linux）
- 云服务商已内部部署修复方案
（下篇将解析Spectre两种变体及其25年未被发现的原因）