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diff --git a/chap/chap1.tex b/chap/chap1.tex index 61fc289..9ffc65d 100644 --- a/chap/chap1.tex +++ b/chap/chap1.tex @@ -7,6 +7,15 @@ \section{研究平台与环境} +本文使用 gem5 模拟器\supercite{gem5}作为研究平台。gem5 提供了多种 CPU +模型的模拟，包括简单的单周期处理器、详细的按序流水线处理器、乱序超标量 +处理器。gem5 支持 X86, ARM, Alpha, MIPS, RISC-V 等指令系统。gem5 乱序 +处理器模型基于 Alpha 21264,有取指、译码、重命名、发射、执行、回写、提 +交等流水线阶段，包含乱序超标量处理器中的分支预测器、指令队列、重排序缓 +冲、装载存储队列等常见部件。gem5 可以详细地模拟存储系统，包括高速缓存、 +DRAM、crossbar等组件，通过使用Ruby存储系统，还可以模拟自定义的缓存一致 +性协议。gem5 支持同构和异构多核系统的模拟，支持对系统功耗进行建模。 + \section{论文组织结构} % vim:ts=4:sw=4 diff --git a/chap/chap3.tex b/chap/chap3.tex index 0f34701..bc4ce99 100644 --- a/chap/chap3.tex +++ b/chap/chap3.tex @@ -5,7 +5,8 @@ Meltdown 和 Spectre 及其多种变体被发现后，研究者提出了多种减轻这些攻击 的防御方法，它们需要对软件或硬件进行修改。也有研究者提出通过修改现有的 -指令系统，使得用这种指令系统的程序不受 Spectre 攻击的影响。 +指令系统\supercite{oisa}，使得用这种指令系统的程序不受 Spectre 攻击的 +影响。 \section{Meltdown型攻击的防御} diff --git a/chap/chap4.tex b/chap/chap4.tex index e9f03dc..f47c8ad 100644 --- a/chap/chap4.tex +++ b/chap/chap4.tex @@ -1,9 +1,44 @@ \chapter{可抵抗Spectre攻击的微架构的设计与实现} +本章讲解本文提出的一种防御 Spectre 攻击的方法，该方法使用动态信息流追 +踪的方法，检测 Spectre 组件指令流中可能泄露秘密数据的访存指令，并使用 +InvisiSpec 的方法执行这些访存指令。 + \section{威胁模型} -\section{InvisiSpec} +本文对攻击者做如下假设：攻击者知道受害者程序的代码、进程中的地址分布信 +息，攻击者和受害者可以在同一进程，共享同一处理器核，或在不同处理器核上。 + +本文设计的方法用于防御利用控制流推测式执行的 Spectre-PHT, Spectre-BTB, +Spectre-RSB 攻击，此方法可以扩展至 Spectre-STL 攻击。攻击者在 Spectre +攻击中使用高速缓存作为隐蔽信道，其他信道不在本文的考虑范围。本文不考虑 +其他的侧信道攻击。本文针对攻击者通过 Spectre 攻击获取内存中秘密数据的 +情形，不考虑攻击者通过攻击获取寄存器中秘密数据的情形。 + +\section{基于动态信息流追踪的Spectre检测方法} + +动态信息流追踪（Dynamic Information Flow Tracking）\supercite{dift}是 +一种硬件安全策略，通过识别可疑的信息流，并限制可疑信息的使用，保护程序 +的安全。它最早用于防止攻击者利用缓冲区溢出攻击执行恶意代码，也可以用于 +检测跨站脚本攻击、SQL注入等攻击。\supercite{raksha} + +DIFT 可以作为 Spectre 攻击的检测手段之一。Spectre 的论文中指出处理器可 +以追踪数据是否在推测式执行中获取，进而阻止在后续可能泄露这个数据的操作 +中使用，作为阻止数据进入隐蔽信道的方法。\supercite{spectre} +CSF\supercite{context-sensitive-fencing} 中的译码级信息流追踪框架 DIFT， +用于追踪处理器使用的数据是否来源于用户输入，从而处理器可以根据此信息判 +断是否需要插入 fence 微码。OISA\supercite{oisa} 在指令系统的定义中即包 +含了 DIFT 技术，用于追踪一个数据是否为秘密数据。 + +本文使用 DIFT 检测 Spectre 组件中泄露数据的 load 指令。 + +%TODO + +\section{InvisiSpec的详细设计} -\section{基于信息流追踪的Spectre检测方法} +本文使用 InvisiSpec 执行检测为不安全的 load 指令。相对于阻止该 load 指 +令的执行，使用 InvisiSpec 执行该指令，可以使依赖于这个指令的指令可以继 +续执行，减少性能损失。以下分析 InvisiSpec 的详细设计，在下一节中分析将 +Spectre 检测技术和 InvisiSpec 结合的方法。 \section{可抵抗Spectre攻击的微架构的实现} @@ -227,6 +227,35 @@ doi={10.1109/MICRO.2018.00083}, ISSN={}, month=Oct,} +@inproceedings{dift, + title={Secure program execution via dynamic information flow tracking}, + author={Suh, G Edward and Lee, Jae W and Zhang, David and Devadas, Srinivas}, + booktitle={ACM Sigplan Notices}, + volume={39}, + number={11}, + pages={85--96}, + year={2004}, + organization={ACM} +} + +@inproceedings{raksha, + author = {Dalton, Michael and Kannan, Hari and Kozyrakis, Christos}, + title = {Raksha: A Flexible Information Flow Architecture for Software Security}, + booktitle = {Proceedings of the 34th Annual International Symposium on Computer Architecture}, + series = {ISCA '07}, + year = {2007}, + isbn = {978-1-59593-706-3}, + location = {San Diego, California, USA}, + pages = {482--493}, + numpages = {12}, + url = {http://doi.acm.org/10.1145/1250662.1250722}, + doi = {10.1145/1250662.1250722}, + acmid = {1250722}, + publisher = {ACM}, + address = {New York, NY, USA}, + keywords = {dynamic, semantic vulnerabilities, software security}, +} + @inproceedings{context-sensitive-fencing, title={Context-Sensitive Fencing: Securing Speculative Execution via Microcode Customization}, author={Taram, Mohammadkazem and Venkat, Ashish and Tullsen, Dean}, @@ -344,7 +373,7 @@ The BOOM generator was implemented using the Chisel hardware construction langua This thesis highlights two aspects of the BOOM design: its industry-competitive branch prediction and its configurable execution datapath. The remainder of the thesis discusses the BOOM tape-out, which was performed by two graduate students and demonstrated the ability to quickly adapt the design to the physical design issues that arose.} } -@misc{cryptoeprint:2018:808, +@misc{oisa, author = {Jiyong Yu and Lucas Hsiung and Mohamad El Hajj and Christopher W. Fletcher}, title = {Data Oblivious ISA Extensions for Side Channel-Resistant and High Performance Computing}, howpublished = {Cryptology ePrint Archive, Report 2018/808}, @@ -459,4 +488,15 @@ This thesis highlights two aspects of the BOOM design: its industry-competitive year = 2017, } +@article{gem5, + title={The gem5 simulator}, + author={Binkert, Nathan and Beckmann, Bradford and Black, Gabriel and Reinhardt, Steven K and Saidi, Ali and Basu, Arkaprava and Hestness, Joel and Hower, Derek R and Krishna, Tushar and Sardashti, Somayeh and others}, + journal={ACM SIGARCH Computer Architecture News}, + volume={39}, + number={2}, + pages={1--7}, + year={2011}, + publisher={ACM} +} + % vim:ts=4:sw=4 |