缓存侧信道防御研究综述

王 崇 魏 帅 张 帆 宋 克

(国家数字交换系统工程技术研究中心(战略支援部队信息工程大学) 郑州 450003)

随着Spectre[1],Meltdown[2],Foreshadow[3],ZombieLoad[4]等一系列CPU硬件漏洞的发现，人们在研究应用软件和操作系统漏洞的同时，也开始重视硬件层面，尤其是由于硬件架构特点而引发的安全威胁.侧信道攻击是利用计算机硬件的一种主要的攻击方式，它利用微架构状态开展攻击，可能会造成用户的信息泄露；同时，它也具有较高的隐蔽性，对用户信息和设备安全带来极大的安全威胁.

侧信道攻击[5](side channel attack, SCA)，是指对软件在物理设备上执行过程中暴露出来的某些特征，如声音、电磁辐射、温度等侧信道信息(side channel information)分析，得出设备内部的执行情况，推断出用户信息的一种攻击方式.这种攻击方式常用来绕过加密算法等安全机制提供的安全性，造成用户信息泄露.一般而言，侧信道攻击具有3个方面特点[6]：1)难以检测，大部分侧信道攻击不需要特殊的权限，只要能够完成对侧信道信息的采集，就可以开展后续分析；2)防御成本高，减缓侧信道攻击会对系统的性能带来很大影响；3)平台依赖性高，侧信道攻击利用的不是算法或程序本身存在的问题，而是程序的实现及运行过程中存在的问题进行攻击，严重依赖于程序的执行环境以及硬件架构等.而基于微架构的侧信道攻击是近年来新兴的一种侧信道攻击方式，它对处理器缓存(cache)[1-4,6-24]、内存管理单元(memory management unit, MMU)[25]、快表(translation lookaside buffer, TLB)[26]、总线(bus)[27]等微架构进行监控，并根据一些先验知识获取……