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处理器时间侧信道攻防技术综述
1
作者
唐博文
武成岗
王喆
《高技术通讯》
CAS
北大核心
2024年第5期439-452,共14页
现代处理器优化机制众多,设计人员在追求性能提升时,往往忽略背后的安全风险。时间侧信道攻击因其影响面广且隐蔽性好已成为最主要的安全威胁之一。随着瞬态执行攻击的出现,时间侧信道攻击的能力被进一步扩展,计算系统的安全基础被动摇...
现代处理器优化机制众多,设计人员在追求性能提升时,往往忽略背后的安全风险。时间侧信道攻击因其影响面广且隐蔽性好已成为最主要的安全威胁之一。随着瞬态执行攻击的出现,时间侧信道攻击的能力被进一步扩展,计算系统的安全基础被动摇。为此,处理器厂商及安全人员提出了大量防御机制。这些机制具有不同的防护能力及性能开销。与此同时,新的瞬态执行漏洞和隐蔽信道也不断被发现,已提出的防御机制被不断突破。围绕处理器时间侧信道攻防技术的博弈日益激烈。本文从基本攻击原理出发,对现有时间侧信道攻击进行了归纳总结,并在此基础上进一步分析了相关防御机制的保护能力和性能瓶颈,从而梳理出时间侧信道攻防技术的发展趋势,为未来软硬件系统开发和安全技术探索提供参考。
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关键词
处理器微架构
时间侧信道攻击
隐蔽
信道
瞬态执行
攻击
投机执行
防御技术
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职称材料
基于时间侧信道逆向神经网络模型
2
作者
黄诚轩
唐明
李景海
《密码学报》
CSCD
2021年第6期1095-1108,共14页
神经网络模型逆向攻击的目的是恢复部署在推理终端的网络结构与权重,它不仅是重要的知识产权,模型中的参数信息还会带来如对抗样本攻击的安全威胁.在保密模型结构设置中,标准的保护措施,如阻止二进制回读、阻止JTAG访问、代码混淆等手...
神经网络模型逆向攻击的目的是恢复部署在推理终端的网络结构与权重,它不仅是重要的知识产权,模型中的参数信息还会带来如对抗样本攻击的安全威胁.在保密模型结构设置中,标准的保护措施,如阻止二进制回读、阻止JTAG访问、代码混淆等手段能够防止模型信息泄露,导致不能有效逆向神经网络模型.通过研究发现,在迁移学习的背景下,应用开发中部署的网络多是由已存在的知名网络再训练而生成,因此不同的时间消耗序列能够作为特征,用来确定神经网络模型的具体结构.已有基于侧信道分析的逆向方法都是面向特定神经网络结构,本文提出的逆向方法可以面向所有神经网络模型.通过分析卷积神经网络中卷积层、池化层以及全连接层中的时间消耗,提出一种基于时间的模型逆向攻击.该方法需要向目标神经网络结构提供随机输入,测得运行时各层时间消耗,将模型逆向问题转化为模型分类问题.本文对Vgg系列、ResNet系列等神经网络结构进行实测实验,使用不同数量的时间特征进行训练与预测,所选取的指标包括精确率、召回率、F1值等,随着选取的时间特征层数越多,分类器预测的效果越好.实验结果表明当使用100层运算层的时间特征时上述指标均可达到98.9%,本文方法能够有效区分出选取的11种神经网络结构.
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关键词
AI安全
神经网络模型逆向
时间侧信道攻击
神经网络结构
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职称材料
FixBranchPHT:一种针对BranchScope攻击的软件防御方法
被引量：
1
3
作者
李永波
唐明
《密码学报》
CSCD
2023年第2期342-359,共18页
BranchScope是一种基于分支预测机制的时间侧信道攻击,攻击者利用受害者分支在intel双模态分支方向预测器的执行痕迹推断分支方向.现有大多数防护分支预测攻击和时间侧信道攻击的方案无法阻止分支在方向预测器中留下痕迹,因此不能抵御Br...
BranchScope是一种基于分支预测机制的时间侧信道攻击,攻击者利用受害者分支在intel双模态分支方向预测器的执行痕迹推断分支方向.现有大多数防护分支预测攻击和时间侧信道攻击的方案无法阻止分支在方向预测器中留下痕迹,因此不能抵御BranchScope攻击;少数有效方案建议移除分支或消除秘密信息对分支方向的依赖,但需要复杂的数据流和控制流转换.本文提出一种可有效抵御BranchScope攻击的软件防护方案FixBranchPHT,详细分析了所提方案的安全性、实用性和效率.与现有方案相比, FixBranchPHT首次通过重复执行分支,刷新分支在双模态方向预测器的秘密痕迹,修改代码的量更少,程序转换难度更低.本文首先系统分析了BranchScope攻击原理和分支方向预测机制.其次,将不同的分支结构转换为统一形式,利用循环结构实现分支的重复执行;同时利用硬件事务内存的中止回滚机制,保证关键代码不被恶意中断.再次,对方案的安全性进行了理论验证.最后,选取了四个公开的BranchScope攻击目标实验验证方案的有效性,基于nbench基准测试套件评估了防护添加后的性能.实验结果表明FixBranchPHT方案可有效抵御BranchScope攻击,平均仅产生34%的性能损耗.
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关键词
BranchScope
攻击
软件防御
分支预测
时间侧信道攻击
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职称材料
题名
处理器时间侧信道攻防技术综述
1
作者
唐博文
武成岗
王喆
机构
中国科学院计算技术研究所处理器芯片全国重点实验室
中国科学院大学
出处
《高技术通讯》
CAS
北大核心
2024年第5期439-452,共14页
基金
国家自然科学基金青年基金(61902374)
国家自然科学基金联合重点基金(U1736208)资助项目。
文摘
现代处理器优化机制众多,设计人员在追求性能提升时,往往忽略背后的安全风险。时间侧信道攻击因其影响面广且隐蔽性好已成为最主要的安全威胁之一。随着瞬态执行攻击的出现,时间侧信道攻击的能力被进一步扩展,计算系统的安全基础被动摇。为此,处理器厂商及安全人员提出了大量防御机制。这些机制具有不同的防护能力及性能开销。与此同时,新的瞬态执行漏洞和隐蔽信道也不断被发现,已提出的防御机制被不断突破。围绕处理器时间侧信道攻防技术的博弈日益激烈。本文从基本攻击原理出发,对现有时间侧信道攻击进行了归纳总结,并在此基础上进一步分析了相关防御机制的保护能力和性能瓶颈,从而梳理出时间侧信道攻防技术的发展趋势,为未来软硬件系统开发和安全技术探索提供参考。
关键词
处理器微架构
时间侧信道攻击
隐蔽
信道
瞬态执行
攻击
投机执行
防御技术
Keywords
microarchitecutre
timing-based side channel attack
covert channel
transient execution attack
speculative execution
defense mechanism
分类号
TP332 [自动化与计算机技术—计算机系统结构]
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
基于时间侧信道逆向神经网络模型
2
作者
黄诚轩
唐明
李景海
机构
武汉大学国家网络安全学院空天信息安全与可信计算教育部重点实验室
密码科学技术国家重点实验室
出处
《密码学报》
CSCD
2021年第6期1095-1108,共14页
基金
国家自然科学基金(61972295)
武汉市科技项目应用基础前沿专项(2019010701011407)。
文摘
神经网络模型逆向攻击的目的是恢复部署在推理终端的网络结构与权重,它不仅是重要的知识产权,模型中的参数信息还会带来如对抗样本攻击的安全威胁.在保密模型结构设置中,标准的保护措施,如阻止二进制回读、阻止JTAG访问、代码混淆等手段能够防止模型信息泄露,导致不能有效逆向神经网络模型.通过研究发现,在迁移学习的背景下,应用开发中部署的网络多是由已存在的知名网络再训练而生成,因此不同的时间消耗序列能够作为特征,用来确定神经网络模型的具体结构.已有基于侧信道分析的逆向方法都是面向特定神经网络结构,本文提出的逆向方法可以面向所有神经网络模型.通过分析卷积神经网络中卷积层、池化层以及全连接层中的时间消耗,提出一种基于时间的模型逆向攻击.该方法需要向目标神经网络结构提供随机输入,测得运行时各层时间消耗,将模型逆向问题转化为模型分类问题.本文对Vgg系列、ResNet系列等神经网络结构进行实测实验,使用不同数量的时间特征进行训练与预测,所选取的指标包括精确率、召回率、F1值等,随着选取的时间特征层数越多,分类器预测的效果越好.实验结果表明当使用100层运算层的时间特征时上述指标均可达到98.9%,本文方法能够有效区分出选取的11种神经网络结构.
关键词
AI安全
神经网络模型逆向
时间侧信道攻击
神经网络结构
Keywords
AI security
neural network model reverse
time side channel attack
neural network structure
分类号
TP309.7 [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
FixBranchPHT:一种针对BranchScope攻击的软件防御方法
被引量：
1
3
作者
李永波
唐明
机构
武汉大学国家网络安全学院
出处
《密码学报》
CSCD
2023年第2期342-359,共18页
基金
国家自然科学基金(61972295,62072247)
武汉市科技项目应用基础前沿专项(2019010701011407)。
文摘
BranchScope是一种基于分支预测机制的时间侧信道攻击,攻击者利用受害者分支在intel双模态分支方向预测器的执行痕迹推断分支方向.现有大多数防护分支预测攻击和时间侧信道攻击的方案无法阻止分支在方向预测器中留下痕迹,因此不能抵御BranchScope攻击;少数有效方案建议移除分支或消除秘密信息对分支方向的依赖,但需要复杂的数据流和控制流转换.本文提出一种可有效抵御BranchScope攻击的软件防护方案FixBranchPHT,详细分析了所提方案的安全性、实用性和效率.与现有方案相比, FixBranchPHT首次通过重复执行分支,刷新分支在双模态方向预测器的秘密痕迹,修改代码的量更少,程序转换难度更低.本文首先系统分析了BranchScope攻击原理和分支方向预测机制.其次,将不同的分支结构转换为统一形式,利用循环结构实现分支的重复执行;同时利用硬件事务内存的中止回滚机制,保证关键代码不被恶意中断.再次,对方案的安全性进行了理论验证.最后,选取了四个公开的BranchScope攻击目标实验验证方案的有效性,基于nbench基准测试套件评估了防护添加后的性能.实验结果表明FixBranchPHT方案可有效抵御BranchScope攻击,平均仅产生34%的性能损耗.
关键词
BranchScope
攻击
软件防御
分支预测
时间侧信道攻击
Keywords
BranchScope attack
software defence
branch prediction
time-side channel attack
分类号
TP309.7 [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
处理器时间侧信道攻防技术综述
唐博文
武成岗
王喆
《高技术通讯》
CAS
北大核心
2024
0
在线阅读
下载PDF
职称材料
2
基于时间侧信道逆向神经网络模型
黄诚轩
唐明
李景海
《密码学报》
CSCD
2021
0
在线阅读
下载PDF
职称材料
3
FixBranchPHT:一种针对BranchScope攻击的软件防御方法
李永波
唐明
《密码学报》
CSCD
2023
1
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职称材料
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