SPECTRE.VARIANT1

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
   struct array {
       unsigned long length;
       unsigned char data[];
   };
    
   struct array *createArrayOfSize(unsigned int size);
    
   void vulnerable_pattern(unsigned long offset)
   {
      struct array *arr1 = createArrayOfSize(5);                  /* small array */
      struct array *arr2 = createArrayOfSize(0x500);              /* a large array */
      unsigned char secret_value;
   
      if (offset < arr1->length) {                                /* untrusted data controls the branch */
          secret_value = arr1->data[offset];                      /* out of boundary read in a mispredicted speculative execution */
   
          unsigned char value2 = arr2->data[secret_value * 256];  /* arr2->data[secret_value * 256] will be loaded to the CPU cache */
                                                                  /* resulting in a measurable side effect */
          /* some more code */
      } else {
          /* code for the else branch */
      }
  }

このコードは、 'arr1->data[offset]' の読み取りが境界チェックによって保護されるため通常は安全です。ただし、この保護はハードウェア脆弱性により迂回することができます。攻撃を成功させるには、数々の条件を満たす必要があります。

• 機密データは、配列 arr1->data の境界外メモリ領域に置かれます。
• この機密データ (攻撃者は合法的にアクセスできる) は、CPU により最近アクセスされて、実際にレジスタ一の 1 つにキャッシュされたと考えられます。
• CPU キャッシュには「オフセット」変数もあると考えられます。
• 逆に、arr1->length および arr2->data はキャッシュされていないと考えられます。

上記の条件が満たされると、攻撃は次のように進められます。

1. 14 行目で、コントロールは 'offset' を 'arr1->length' と比較する必要があります。
2. 'offset' はキャッシュにヒットし、一方 'arr1->length' はキャッシュから外れます。CPU は、それを次レベルのキャッシュ (または DRAM) からロードするように要求します。
3. 'arr1->length' の値が CPU レジスタの 1 つに表示されるには、通常数百回もの CPU サイクルを要します。待機してこれらのサイクルを無駄にするのではなく、CPU は予測による分岐の実行を開始します。実行する特定の分岐は、このコードの過去の実行に基づいた CPU 分岐予測機能により選択されます。この機能の最も一般的な合法的呼び出しは 'offset' の有効なインバウンド値を含むので、最も可能性が高い分岐は「真」の分岐となります。また、分岐予測機能は攻撃者に望ましい分岐を選択するように攻撃者によって「訓練」される可能性があります。予測実行の場合、 'arr1->length' が CPU レジスタにロードされるまでに分岐予測機能が分岐を誤予測する結果になると、CPU は分岐のそれ以降の命令実行を中止して他の分岐を実行するだけです。
4. 予測実行時に、値 'arr1->length' が CPU L1 キャッシュにロードされる間に、コントロールは 15 行目に達します。
5. 悪意を持って選択された値 'offset' は機密データを指します。そのデータ読み取りはキャッシュにヒットし、すぐに 'secret_value' に保存できるようになります。
6. 17 行目の 'arr2->data[secret_value * 256]' 読み取りはキャッシュにありません。次レベルのキャッシュ (または DRAM) からロードされるように要求されます。
7. 値 'arr1->length' は最終的に L1 キャッシュに達します。CPU は分岐が誤予測されたことを認識し、その実行は中止され、コントロールは代わりに 'else' 分岐の実行を開始します。
8. 'arr2->data[secret_value * 256]' の値が L1 キャッシュに達します。

上のスニペットでは、Klocwork は次の欠陥を報告します。

code.c:17:9: [SPECTRE.VARIANT1] 潜在的に信頼できないデータ 'offset' は、予測分岐実行の 15 行で、配列 'arr1->data' の境界を超えた任意のデータの読み取りに使用できます。

修正コード例

現在、次のフェンス操作がサポートされています。

• _mm_lfence

新たに導入された FENCE kb を経由してより多くの固有機能を追加できます。FENCE kb の構文は以下の通りです。

function_name - FENCE