[论文解读] SafeSpec: Banishing the Spectre of a Meltdown with Leakage-Free Speculation

Khaled N. Khasawneh, Esmaeil Mohammadian Koruyeh+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Security and Verification in Computing被引用 41

一句话总结

SafeSpec 通过将投机状态置于影子结构并仅在提交时将其移入已提交状态来实现无泄漏的投机执行，从而在保持性能的同时防止 Spectre/Meltdown 的泄漏。它分析了两种提交变体（WFC 和 WFB），识别了瞬态投机攻击，并展示了对硬件原型的实验，性能影响可忽略。

ABSTRACT

Speculative execution which is used pervasively in modern CPUs can leave side effects in the processor caches and other structures even when the speculated instructions do not commit and their direct effect is not visible. The recent Meltdown and Spectre attacks have shown that this behavior can be exploited to expose privileged information to an unprivileged attacker. In particular, the attack forces the speculative execution of a code gadget that will carry out the illegal read, which eventually gets squashed, but which leaves a side-channel trail that can be used by the attacker to infer the value. Several attack variations are possible, allowing arbitrary exposure of the full kernel memory to an unprivileged attacker. In this paper, we introduce a new model (SafeSpec) for supporting speculation in a way that is immune to side-channel leakage necessary for attacks such as Meltdown and Spectre. In particular, SafeSpec stores side effects of speculation in a way that is not visible to the attacker while the instructions are speculative. The speculative state is then either committed to the main CPU structures if the branch commits, or squashed if it does not, making all direct side effects of speculative code invisible. The solution must also address the possibility of a covert channel from speculative instructions to committed instructions before these instructions are committed. We show that SafeSpec prevents all three variants of Spectre and Meltdown, as well as new variants that we introduce. We also develop a cycle accurate model of modified design of an x86-64 processor and show that the performance impact is negligible. We build prototypes of the hardware support in a hardware description language to show that the additional overhead is small. We believe that SafeSpec completely closes this class of attacks, and that it is practical to implement.

研究动机与目标

• 在现代CPU中动机并解决来自投机执行（Spectre/Meltdown）的安全漏洞。
• 提出一个原理性设计（SafeSpec），通过在临时结构中隔离投机来实现投机状态无泄漏。
• 评估 SafeSpec 对已知及的新投机变体的安全性，并评估性能/复杂性权衡。
• 展示一个具体的 SafeSpec 在缓存和TLB上的实现，并分析其对硬件资源和潜在的隐蔽信道的影响。

提出的方法

• 引入 SafeSpec 的影子（临时）状态原理，该状态将投机效果与已提交状态分离保存。
• 描述两种提交模型：wait-for-commit（WFC）和 wait-for-branch（WFB），并分析它们在安全性（Meltdown 和 Spectre）以及权衡方面的影响。
• 用影子结构扩展内存层次结构（数据缓存、i-cache、TLB），以保存投机数据并定义移入已提交状态或撤销的策略。
• 通过对影子状态进行容量配置和分区来解决瞬态投机攻击（TSAs），以在投机窗口期间防止隐蔽信道。
• 对缓存和 TLB 的 SafeSpec 设计原型，包括影子缓存、影子 iTLB/dTLB，以及与 ROB 和 Load/Store 队列的集成。
• 提供一个逐周期精确的模型来评估性能和复杂性，并讨论实际硬件开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不牺牲性能的前提下，投机执行能否实现无泄漏？
• RQ2 投机状态应如何组织，以及何时移入已提交状态以防止 Meltdown/Spectre 与 TSAs？
• RQ3 SafeSpec 对缓存、TLB 以及 I-cache 的泄漏、性能和硬件开销的影响是什么？
• RQ4 WFC 和 WFB 变体是否能够有效阻止已知的以及新引入的投机攻击？
• RQ5 将 SafeSpec 广泛应用于多核、预取器、缓存一致性等场景时的实际局限性和未来工作有哪些？

主要发现

• SafeSpec 通过对投机数据使用影子状态，并仅在提交时（WFC）或分支提交后（WFB）将其移入已提交状态，防止已知的 Meltdown 和 Spectre 变体。
• 对缓存和 TLB 的影子结构大小设定是可行的，性能影响微乎其微，有时由于有效缓存大小增加而带来适度的改进。
• 瞬态投机攻击（TSAs）通过保护投机窗口和影子状态设计来识别和缓解，防止投机指令与已提交指令之间的隐蔽信道。
• 使用 SafeSpec 的内存层次扩展在面积和功耗开销方面是可接受的，同时保持投机的收益并减少缓存污染。
• 逐周期精确的模型和硬件原型证明该方法是可行的，并不会带来过于昂贵的性能损失。