“ Meltdown” CPU漏洞的简化解释

我刚刚阅读了有关“ Meltdown” CPU安全漏洞的白皮书，因为我很好奇这里到底发生了什么。白皮书对此进行了详细说明，但由于篇幅较长且学术性强，因此我认为应该有一个更简单的概述。

Meltdown攻击是绕过许多现代CPU的安全检查的一种巧妙方法，它允许从未修补操作系统上的任何进程读取内核模式内存。

本文介绍了其实际工作原理-您可以在Meltdown网站和其他地方阅读有关这些漏洞的影响的更多信息。

首先，称其为“ bug”（尽管有很多）可能有点夸大其词-CPU的功能如所宣传。问题是有人想出了如何读取操作本来应该避免的副作用的方法。

接下来是一些技术性知识，但我将尝试尽可能简单地进行解释。当然，我已经掩盖了细节-这里的目的只是从概念上传达它的工作方式。

在找到问题的实际原因之前，您需要了解一些先决条件。

CPU高速缓存是CPU上的一块内存，用于存储最近访问的数据页。因为这些页面直接缓存在CPU上，所以访问它们的速度比必须一直回到主内存要快。

当CPU从主内存中读取数据时，它将在CPU缓存中缓存该页面的副本。下次如果需要缓存页面时，它需要从主内存中读取数据，它可以从速度更快的CPU缓存中加载该值。

高速缓存中的每个页面为4096字节，并且高速缓存足够大以存储许多这些页面（取决于CPU）

每个CPU内核都有多个执行单元，每个执行单元都可以执行不同类型的操作。

例如：Intel i7具有17至20个执行单元-2x整数伪指令，1x除法，1x装载存储器，1x存储存储器单元等…

为了使这些单元尽可能繁忙，CPU将等待即将到来的指令，并在等待时在不同的执行单元上开始执行它们当前指令完成。

（这是一个过分简化的视图，但足以用于本次讨论。在实践中，指令被分解为微操作，并分发给执行单元）。

在任何时间点，CPU均以特权模式或非特权模式运行。

基本上，操作系统以特权模式运行，而已安装的程序则以非特权模式运行。

如果您考虑以上情况，则似乎用户模式（非特权）代码不应读取内核模式内存，因为CPU会引发异常。

问题是：

首先，攻击者分配一个内存块，该内存块由256页内存（即256 * 4096字节）组成。此刻该内存块中的每个页面都不会被缓存，因为它从未被访问过。

接下来，执行类似于以下代码的序列。这称为“发送者”：

假设CPU在指令1完成之前开始乱序执行指令2-4，则指令4将导致分配的内存块的一页被缓存在CPU上。缓存的页面将与从内核模式内存读取的字节直接相关。例如：如果密码为21，则分配的存储块的第21页现在将被缓存在CPU上。

最后，“接收者”观察到这种无序执行的副作用，以确定读取的机密字节。

从上面的示例继续，分配的内存块的页面0到20读起来很慢，而页面21则要快得多-因此秘密值必须为21。

现在，只需重复以上所有内容，即可读取想要的秘密字节数。白皮书说，他们能够读取高达500Kb /秒的速度。