近日，微軟和谷歌的研究人員又發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代處理器中存在數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的 Meltdown-Spectre 安全漏洞第四種變種。變體 4 影響英特爾、AMD 和 Arm 的無序執(zhí)行處理器內(nèi)核，以及 IBM 的 Power 8、Power 9 和 System z CPU。

近日，微軟和谷歌的研究人員又發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代處理器中存在數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的 Meltdown-Spectre 安全漏洞第四種變種。

在安全系數(shù)較低的電腦或設(shè)備上，這些推測(cè)性執(zhí)行設(shè)計(jì)缺陷可能會(huì)被惡意軟件攻擊并利用，或通過非正常登錄系統(tǒng)，從內(nèi)核或應(yīng)用程序內(nèi)存慢慢提取隱私信息，如密碼等。現(xiàn)代處理器被發(fā)現(xiàn)的安全漏洞變體 1 和變體 2 被稱為 Spectre（CVE-2017-5753，CVE-2017-5715），變體 3 則被稱為 Meltdown（CVE-2017-5754），這幾個(gè)安全漏洞前段時(shí)間在業(yè)界引起了一陣不小的恐慌。一波未平一波又起，微軟和谷歌研究人員又披露了新漏洞變體 4（CVE-2018-3639）。

新漏洞有何影響？

變體 4 影響英特爾、AMD 和 Arm 的無序執(zhí)行處理器內(nèi)核，以及 IBM 的 Power 8、Power 9 和 System z CPU。要知道，ARM 內(nèi)核可是廣泛應(yīng)用于全球各地的智能手機(jī)、平板電腦和嵌入式電子產(chǎn)品中。

第四種變體可能會(huì)被程序運(yùn)行的腳本文件（例如瀏覽器標(biāo)簽中的網(wǎng)頁 JavaScript）利用，從應(yīng)用程序的其他部分竊取敏感信息，例如從另一個(gè)標(biāo)簽中獲得個(gè)人詳細(xì)信息。

根據(jù)英特爾的說法，其已經(jīng)向公眾發(fā)布針對(duì)變體 1 的緩解措施，這是最難解決的問題，因此利用變體 4 進(jìn)行攻擊要困難得多。換句話說，修補(bǔ)變體 1 漏洞會(huì)使變體 4 攻擊網(wǎng)頁瀏覽器，以及即時(shí)執(zhí)行腳本和其他語言的類似程序變得困難。

到目前為止，沒有已知針對(duì)變體 4 的代碼擴(kuò)散。

另外，研究人員還披露了一個(gè)漏洞 CVE-2018-3640：這是一個(gè)流氓系統(tǒng)寄存器讀取，允許普通程序查看寄存器中的硬件狀態(tài)標(biāo)志等，這些標(biāo)志本應(yīng)只有操作系統(tǒng)內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序以及管理程序訪問。

漏洞工作原理

變體 4 被稱為推測(cè)性存儲(chǔ)旁路（speculative store bypass）。這是在無序執(zhí)行工程界的另一個(gè) “等等，為什么我沒有想到？” 式設(shè)計(jì)。這個(gè)漏洞是 Google Project Zero 的 Jann Horn 發(fā)現(xiàn)的，他還是最早發(fā)現(xiàn)早期的 Spectre 和 Meltdown 漏洞的人。

這個(gè)漏洞的工作原理基于一個(gè)事實(shí)，即當(dāng)面對(duì)大量將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存的軟件指令時(shí)，CPU 會(huì)在存儲(chǔ)完成時(shí)預(yù)計(jì)是否可以進(jìn)行任何其他無序執(zhí)行。與其他指令相比，寫入內(nèi)存通常較慢。一個(gè)現(xiàn)代化的 CPU 不會(huì)被存儲(chǔ)阻礙了進(jìn)程，因此它會(huì)與此同時(shí)尋找有沒有其他可以同時(shí)進(jìn)行的任務(wù)。

如果處理器內(nèi)核在程序推測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)一條從內(nèi)存中加載數(shù)據(jù)的指令，它將預(yù)測(cè)這個(gè)加載操作是否受到之前存儲(chǔ)的影響。例如，如果存儲(chǔ)正在寫入內(nèi)存，稍后從內(nèi)存中提取，則需要先完成存儲(chǔ)。如果預(yù)測(cè)可以安全加載，處理器會(huì)推測(cè)性地執(zhí)行該操作，而芯片的其他部分則忙于存儲(chǔ)操作和其他代碼。

這種推測(cè)行為涉及將數(shù)據(jù)從內(nèi)存拉入一級(jí)數(shù)據(jù)緩存。如果事實(shí)證明程序不應(yīng)該在存儲(chǔ)之前運(yùn)行加載，那么放棄指令并重新啟動(dòng)已經(jīng)為時(shí)已晚：基于取回的數(shù)據(jù)，緩存數(shù)據(jù)會(huì)被接觸到，這留給惡意程序足夠的機(jī)會(huì)接觸提取數(shù)據(jù)。一遍又一遍地重復(fù)這個(gè)過程，你可以從應(yīng)用程序的其他部分復(fù)制這些數(shù)據(jù)。例如，在一個(gè)瀏覽器標(biāo)簽中運(yùn)行的 JavaScript 可以窺探其他標(biāo)簽中的網(wǎng)頁。

Specter 這個(gè)名字的選擇是有深意的：它就像一個(gè)在機(jī)器中時(shí)時(shí)觀察的幽靈一樣。通過觀察由處理器的推測(cè)執(zhí)行引擎更新的緩存，就可以識(shí)別隱私數(shù)據(jù)。通過盡可能地減少閑置的處理單元，這種推測(cè)對(duì)于盡可能快地運(yùn)行芯片至關(guān)重要，但缺點(diǎn)是 CPU 可能被欺騙，從而向本應(yīng)被禁止的應(yīng)用程序和腳本泄露內(nèi)存內(nèi)容。

英特爾、Arm 等做出回應(yīng)

英特爾產(chǎn)品安全執(zhí)行官 Leslie Culbertson 表示：“變體 4 利用的推測(cè)性執(zhí)行是大多數(shù)現(xiàn)代處理器體系結(jié)構(gòu)的共同特征，它可能通過側(cè)通道暴露某些類型的數(shù)據(jù)。”

“在這種情況下，研究人員在基于語言的運(yùn)行時(shí)環(huán)境中演示了變體 4，目前我們并沒有發(fā)現(xiàn)通過瀏覽器竊取信息的案例，瀏覽器是最常用的運(yùn)行時(shí)如在 Web 瀏覽器中運(yùn)行的 JavaScript。”

“從 1 月份開始，大多數(shù)領(lǐng)先的瀏覽器提供商在其管理的運(yùn)行時(shí)中為變體 1 部署了緩解措施。這些緩解措施大大增加了在 Web 瀏覽器中利用旁道的難度，同樣也適用于變體 4，現(xiàn)在可供消費(fèi)者使用。”

根據(jù) Culbertson 的說法，英特爾和其他公司將發(fā)布新的微碼和軟件調(diào)整，以更全面地應(yīng)對(duì)利用第四種變體的惡意軟件。據(jù)悉，計(jì)算機(jī)和設(shè)備制造商正在對(duì)這些補(bǔ)丁進(jìn)行測(cè)試。有趣的是，這些補(bǔ)丁會(huì)被默認(rèn)禁用，大概是因?yàn)槁┒闯晒M(jìn)攻的風(fēng)險(xiǎn)太低。這個(gè)漏洞修復(fù)很棘手，但也很難被利用。被默認(rèn)禁用的另一個(gè)原因可能是，英特爾過去一直在努力推出穩(wěn)定的 Spectre 更新。

“為確保我們提供的緩解措施全面并能有效防止其他方式的進(jìn)攻，我們和行業(yè)合作伙伴正在為變體 4 提供額外的緩解措施，這是一個(gè)微碼和軟件更新組合，” 英特爾執(zhí)行官表示。

“我們已經(jīng)向 OEM 系統(tǒng)制造商和系統(tǒng)軟件供應(yīng)商提供了測(cè)試版的變體 4 微碼更新，預(yù)計(jì)將在未來幾周內(nèi)發(fā)布到生產(chǎn) BIOS 和軟件更新中。”

“這種緩解措施將被設(shè)置為默認(rèn)情況下，讓客戶選擇是否啟用它。我們預(yù)計(jì)大多數(shù)行業(yè)軟件合作伙伴也會(huì)使用默認(rèn)關(guān)閉選項(xiàng)。在此配置中，我們沒有觀察到性能受到影響的現(xiàn)象。啟用緩解措施后，我們觀察到客戶和服務(wù)器測(cè)試系統(tǒng)基于 SYSmark 2014 SE 和 SPEC 等基準(zhǔn)測(cè)試的總體評(píng)分會(huì)受到 2-8％的影響。”

Arm 的一位發(fā)言人在一份聲明中稱：

最新的 Specter 變體對(duì)一小部分 Arm Cortex-A 內(nèi)核會(huì)產(chǎn)生影響，用戶可通過 Arm 開發(fā)的固件更新進(jìn)行補(bǔ)救，該更新可在 www.arm.com/security-update 上找到。與之前的 Specter 變體一樣，這個(gè)變體只有在用戶設(shè)備上運(yùn)行特定惡意軟件時(shí)才能進(jìn)行攻擊。Arm 強(qiáng)烈建議個(gè)人用戶遵循安全措施，以防止惡意軟件攻擊，并確保軟件更新到最新版本。

此外，今年 7 月，Arm 將向系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)人員提供針對(duì) Specter 版本 2 的 Cortex-A72，Cortex-A73 和 Cortex-A75 內(nèi)核的更新版本，Cortex- A75 將可以抵制 Meltdown，也就是變種 3。

AMD 的發(fā)言人稱：

AMD 推薦的 SSB 推測(cè)性存儲(chǔ)旁路] 緩解措施需要將操作系統(tǒng)更新到 Family 15 處理器（“Bulldozer” 產(chǎn)品）。有關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱 AMD 白皮書（https://developer.amd.com/wp-content/resources/124441_AMD64_SpeculativeStoreBypassDisable_Whitepaper_final.pdf）。微軟即將完成針對(duì) Windows 客戶端和服務(wù)器操作系統(tǒng)的 AMD 特定更新的最終測(cè)試和驗(yàn)證，這些操作系統(tǒng)預(yù)計(jì)將通過其標(biāo)準(zhǔn)更新流程發(fā)布。同樣，Linux 發(fā)行商正在為 SSB 開發(fā)操作系統(tǒng)更新。AMD 建議您與操作系統(tǒng)提供商取得聯(lián)系，以獲取具體指導(dǎo)。

基于開發(fā)漏洞的難度，AMD 和我們的生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴目前推薦使用默認(rèn)設(shè)置來支持內(nèi)存消歧。

漏洞應(yīng)對(duì)措施

Red Hat 今天發(fā)布了應(yīng)對(duì)第四個(gè)變體的詳細(xì)指南，解釋了漏洞的影響以及工作原理，請(qǐng)參閱：

https://www.redhat.com/en/blog/speculative-store-bypass-explained-what-it-how-it-works

VMware 也提供了建議和更新：

https://blogs.vmware.com/security/2018/05/vmsa-2018-0012.html#

而 Xen Project 做出解釋并提供了一個(gè)修復(fù)方法：

https://xenbits.xen.org/xsa/advisory-263.html

IBM 的發(fā)言人目前還沒有表態(tài)。

小結(jié)

我們注意到，到目前為止，并沒有發(fā)現(xiàn)惡意軟件攻擊芯片中的任何 Spectre 和 Meltdown 漏洞，更不用說這個(gè)最新的變體，這或許是因?yàn)閺V泛采取緩解措施讓攻擊者無從下手，或者這樣做根本不值得，因?yàn)檫€有很多特權(quán)升級(jí)漏洞可以被利用進(jìn)入內(nèi)核和其他應(yīng)用程序。

除此之外，還有各種嘗試?yán)?Specter 系列設(shè)計(jì)缺陷的技術(shù)出現(xiàn)，例如本月早些時(shí)候（https://www.theregister.co.uk/2018/05/03/just_your_monthly_reminder_that_the_spectre_bug_is_still_out_there/ ），以及三月份兩次披露的設(shè)計(jì)缺陷（https://www.theregister.co.uk/2018/03/01/us_researchers_apply_spectrestyle_tricks_to_break_intels_sgx/ ）。

此外，為了利用這些缺陷，惡意軟件必須在設(shè)備上運(yùn)行，這并不是一件容易的事情，因?yàn)槟愕闷垓_用戶安裝一些不好的代碼。英特爾建議用戶可以在閑暇時(shí)使用圖形處理器掃描內(nèi)存以檢查軟件缺陷，如利用幽靈進(jìn)行攻擊的惡意軟件。

對(duì)于我們來說，這些芯片級(jí)的安全漏洞是洞察半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的一次機(jī)會(huì)，在此案例中，對(duì)速度的一味追求導(dǎo)致存儲(chǔ)器保護(hù)機(jī)制被遺忘在角落。而在操作系統(tǒng)和編譯器設(shè)計(jì)的世界中，程序員們?cè)诒Ｗo(hù)內(nèi)核和用戶模式代碼的安全上，還有很長(zhǎng)的路要走。