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处理器数据预取器安全研究综述
1
作者
刘畅
黄祺霖
+4 位作者
刘煜川
林世鸿
秦中元
陈立全
吕勇强
《电子与信息学报》
北大核心
2025年第9期3038-3056,共19页
数据预取器是现代处理器用于提高性能的重要微架构组件。然而,由于在设计之初缺乏系统性的安全评估与考量,主流商用处理器中的预取器近年来被揭示出存在严重安全隐患,已被用于针对浏览器、操作系统和可信执行环境的侧信道攻击。面对这...
数据预取器是现代处理器用于提高性能的重要微架构组件。然而,由于在设计之初缺乏系统性的安全评估与考量,主流商用处理器中的预取器近年来被揭示出存在严重安全隐患,已被用于针对浏览器、操作系统和可信执行环境的侧信道攻击。面对这类新型微架构攻击,处理器安全研究亟需解决以下关键问题:如何系统性地分析攻击方法,全面认识预取器潜在风险,量化评估预取器安全程度,从而设计更加安全的数据预取器。为解决这些问题,该文系统调研了商用处理器中已知预取器设计及相关侧信道攻击,通过提取内存访问模式,为7种预取器建立行为模型,并基于此为20种侧信道攻击建立攻击模型,系统整理了各类攻击的触发条件和泄露信息,并分析可能存在的其他攻击方法。在此基础上,该文提出1套包含3个维度和24个指标的安全性评估体系,为数据预取器的安全性提供全面量化评估。最后,该文深入探讨了防御策略、安全预取器设计思路及未来研究方向。作为首篇聚焦于商用处理器数据预取器安全问题的综述性文章,该文有助于深入了解数据预取器面临的安全挑战,推动预取器的安全性量化评估体系构建,从而为设计更加安全的数据预取器提供指导。
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关键词
计算机体系结构
处理器
数据预取器
微架构安全
侧信道攻击
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职称材料
利用循环预测执行机制实现新型瞬态执行攻击
2
作者
郭佳益
邱朋飞
+4 位作者
苑洁
蓝泽如
王春露
张吉良
汪东升
《电子与信息学报》
北大核心
2025年第9期3363-3373,共11页
现代处理器广泛采用的分支预测技术虽然提升了指令流水线效率,但其推测执行机制产生的瞬态执行窗口已成为攻击的突破口。该文对现代处理器的分支预测技术进行了详细的分析,并对X86指令集中的指令进行了瞬态窗口的测量,发现X86架构中基于...
现代处理器广泛采用的分支预测技术虽然提升了指令流水线效率,但其推测执行机制产生的瞬态执行窗口已成为攻击的突破口。该文对现代处理器的分支预测技术进行了详细的分析,并对X86指令集中的指令进行了瞬态窗口的测量,发现X86架构中基于RCX寄存器值进行分支预测的循环指令(LOOP, LOOPZ和LOOPNZ)以及JRCXZ指令能够导致潜在的瞬态执行攻击。基于此,该文构建了一种新型瞬态攻击原语,成功实现了4类攻击场景:(1)跨用户态/内核态边界实现数据泄露;(2)突破同步多线程(SMT)隔离构建隐蔽信道;(3)穿透Intel SGX安全区进行私密数据窃取;(4)推测内核地址空间布局随机化(KASLR)防护机制的内核基址。该文提出的攻击方法在真实处理器环境中得到验证,其攻击成功率较传统JCC指令实现方案平均提升90%。
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关键词
瞬态执行攻击
循环预测机制
推测执行
分支预测
微架构安全
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职称材料
题名
处理器数据预取器安全研究综述
1
作者
刘畅
黄祺霖
刘煜川
林世鸿
秦中元
陈立全
吕勇强
机构
清华大学计算机科学与技术系
东南大学网络空间安全学院
清华大学北京信息科学与技术国家研究中心
出处
《电子与信息学报》
北大核心
2025年第9期3038-3056,共19页
文摘
数据预取器是现代处理器用于提高性能的重要微架构组件。然而,由于在设计之初缺乏系统性的安全评估与考量,主流商用处理器中的预取器近年来被揭示出存在严重安全隐患,已被用于针对浏览器、操作系统和可信执行环境的侧信道攻击。面对这类新型微架构攻击,处理器安全研究亟需解决以下关键问题:如何系统性地分析攻击方法,全面认识预取器潜在风险,量化评估预取器安全程度,从而设计更加安全的数据预取器。为解决这些问题,该文系统调研了商用处理器中已知预取器设计及相关侧信道攻击,通过提取内存访问模式,为7种预取器建立行为模型,并基于此为20种侧信道攻击建立攻击模型,系统整理了各类攻击的触发条件和泄露信息,并分析可能存在的其他攻击方法。在此基础上,该文提出1套包含3个维度和24个指标的安全性评估体系,为数据预取器的安全性提供全面量化评估。最后,该文深入探讨了防御策略、安全预取器设计思路及未来研究方向。作为首篇聚焦于商用处理器数据预取器安全问题的综述性文章,该文有助于深入了解数据预取器面临的安全挑战,推动预取器的安全性量化评估体系构建,从而为设计更加安全的数据预取器提供指导。
关键词
计算机体系结构
处理器
数据预取器
微架构安全
侧信道攻击
Keywords
Computer architecture
Processor
Data prefetcher
Microarchitectural security
Side channel attack
分类号
TN402 [电子电信—微电子学与固体电子学]
TP309 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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职称材料
题名
利用循环预测执行机制实现新型瞬态执行攻击
2
作者
郭佳益
邱朋飞
苑洁
蓝泽如
王春露
张吉良
汪东升
机构
北京邮电大学网络空间安全学院
北京邮电大学可信分布式计算与服务教育部重点实验室
南京邮电大学集成电路科学与工程学院
清华大学计算机科学与技术系
中关村国家实验室
出处
《电子与信息学报》
北大核心
2025年第9期3363-3373,共11页
基金
国家自然科学基金(U24A20289,62372258)
北京市自然科学基金(4242026)。
文摘
现代处理器广泛采用的分支预测技术虽然提升了指令流水线效率,但其推测执行机制产生的瞬态执行窗口已成为攻击的突破口。该文对现代处理器的分支预测技术进行了详细的分析,并对X86指令集中的指令进行了瞬态窗口的测量,发现X86架构中基于RCX寄存器值进行分支预测的循环指令(LOOP, LOOPZ和LOOPNZ)以及JRCXZ指令能够导致潜在的瞬态执行攻击。基于此,该文构建了一种新型瞬态攻击原语,成功实现了4类攻击场景:(1)跨用户态/内核态边界实现数据泄露;(2)突破同步多线程(SMT)隔离构建隐蔽信道;(3)穿透Intel SGX安全区进行私密数据窃取;(4)推测内核地址空间布局随机化(KASLR)防护机制的内核基址。该文提出的攻击方法在真实处理器环境中得到验证,其攻击成功率较传统JCC指令实现方案平均提升90%。
关键词
瞬态执行攻击
循环预测机制
推测执行
分支预测
微架构安全
Keywords
Transient execution attack
Loop mechanism
Speculative execution
Branch prediction
Microarchitectural security
分类号
TN918 [电子电信—通信与信息系统]
TP309 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
处理器数据预取器安全研究综述
刘畅
黄祺霖
刘煜川
林世鸿
秦中元
陈立全
吕勇强
《电子与信息学报》
北大核心
2025
0
在线阅读
下载PDF
职称材料
2
利用循环预测执行机制实现新型瞬态执行攻击
郭佳益
邱朋飞
苑洁
蓝泽如
王春露
张吉良
汪东升
《电子与信息学报》
北大核心
2025
0
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职称材料
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