番外篇: CPU 預設執行 bug, Spectre, CVE-2017-5753

2018鐵人賽

團隊好想工作室第一屆鐵人賽

2018-01-06 21:30:41

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前言

最近火紅的議題即是「CPU 預設執行的 bug」，然後常常聽到像是「效能會掉 30%」，「AMD 重返榮耀」等等的詞彙。

Google 有養了一個團隊，Project Zero。Project Zero 的功用是「透過黑別人，幫人家除錯，使大家變得安全」。Project Zero 在去年中左右就將這一波問題回報給各廠家（Intel/AMD/ARM）了，不過，直到最近才能夠公開討論。
這叫做 Responsible disclosure，先幫大家保護好使用者，不公開講 bug。不過若對方不願意修 bug，那就是另一回事了。例如 DJI 就是一個很優秀的示範，想必以後沒有人願意幫他找 bug，而寧願把 bug 拿去別的地方賣掉，或乾脆直接公開，附上 PoC，讓大家打爆你。不管選哪個，都不用受鳥氣，棒棒。

這次的問題包含了：

Spectre (CVE-2017-5753, CVE-2017-5715)
Meltdown (CVE-2017-5754)

以上兩個 bug 都會造成資訊的外洩（例如，讀別人程式的內容，從 user space 讀屬於作業系統核心的記憶體），然後都沒有資料竄改的問題。另外，兩個 bug 都必須要有「在目標機器上執行程式」的前置條件。（瀏覽器基本上都是在別人的機器上執行 JS，但不一定會 GG，見文末）

目前已知 Spectre 是影響 Intel/ARM/AMD 的處理器，而 Meltdown 只會影響 Intel 處理器。不過兩個 bug，都是打預測執行（下面會提到）這塊。

講解

處理器執行指令的流程

處理器當然是用來執行指令的。每個指令有四個階段：

古早時期的處理器，都是依據指令順序來執行指令。可以想成高階語言中「同步」的概念，所以如果一個指令是要等超級久的 I/O 動作，大家都要一起等超級久。
後來，有一種的設計模式叫做 "out-of-order execution"，意思就是可以不依據順序來執行指令。這種設計模式下，處理指令的順序大概是這樣子的：

先讀下一個指令
將讀到的指令放入排程器
指令在排程器裡面等，直到該指令的目標都是可使用的狀態了，才從排程裡面拿出來。指令可以不依據當初進去的順序拿出來
將指令分配給負責該指令的運算單元，然後把指令「執行」
將結果放到「結果池」（放了一堆運算結果的地方）內
結果池中的結果，一定要依照當初指令進來的順序來依序拿出去。如果指令有什麼寫東西的動作的話，在拿出來的時候，才可以將結果寫到目標去。這才能真的算是「執行完成」。

總而言之，東西可以不依據順序執行，但是一定要依據順序完成。

保護環

1200px-Priv_rings.svg.png

在資訊工程裡面，有一種叫做「保護環」的機制。
保護環的概念，提供了程式們不同的權限等級。從數字小到大，小的數字代表能力越大，大的數字代表能力越少。
各個環之間通常會有一個特殊的閘門，可以讓外層的環用某種方式去訪問內層的環。舉例來說，基本上，使用者執行的程式，都是在 Ring 3。音效卡驅動是在 Ring 2/Ring 1，所以使用者的程式不可以直接打開麥克風，必須要透過閘門才能夠去叫內層的東西做事情。

Meltdown 比較嚴重，可以一路從 Ring 3 突破到 Ring 0。但是 Spectre 理論上影響範圍只有 Ring 3。

預測執行

目前大部分的處理器都有 預測執行 的能力。預測執行是指說，在接收到某個作業之前，先猜出會做什麼東西，然後先做那件事。這樣一來，當那件事情真的出現時，執行速度看起來就會變快。

有預測執行能力的處理器，會依據之前執行的模式等等，來猜之後會走哪個路線，然後先把那條路線上的東西都給執行完。不過，因為是依據之前執行的模式，所以可以某程度上故意讓處理器的猜測失準（或是控制會猜測的路線）。
另外，因為這是用猜的，所以有可能猜錯。如果猜錯了，要直到一陣子之後，才會知道猜錯。從預測執行錯誤的指令到發現猜錯之間的時間，叫做 預測錯誤區間。

Spectre

這次 Spectre 的問題，是因為預設執行在某些狀況下會出問題，所以可以用某些方式，去讀取屬於別人程式記憶體中的資料。（程式理論上是只能讀取屬於自己的資料的）。

這次文章內容參考 Project Zero。

文件

我們先來看 Intel 自己的文件，這份有解釋「分支預測」。

2.3.2.3, Branch Prediction
分支預測是指，先猜接下來會遇到哪個分支，然後在遇到那個分支之前就先執行它。

2.3.5.2, L1 DCache
L1 暫存器可以在以下狀況下進行讀取：

在預測執行的狀況下做讀取，毋須等待該未來分支執行完成
...

Intel's Software Developer's Manual 3A, 11.7, Implicit Caching (Pentium 4, Intel Xeon, and P6 family processors
當一塊記憶體變得有可能可以被快取時，即使該記憶體沒有依照標準的方式 (這裡原文是 _never have been accessed in the normal von Neumann sequence, 求大神幫翻) 被存取過，也可能會隱快取 (implict caching，意思就是自動幫你做快取)。P6 以後的處理器，因為有積極預取 (aggressive preferching)、分支預測、頁表 cache miss 的關係，所以都會做隱快取。由於軟體還沒有辦法在 386/486/Pentium 處理器上預測指令預取的行為的關係，所以隱快取在這些平台上都算是延伸行為，

因為很多詞在中文中找不太到，所以只能大略翻譯。我不確定翻譯是否正確的地方，會留下原文。

原理

這邊先借 Project Zero 的講解來用。

struct array {
    unsigned long length;
    unsigned char data[];
};
struct array *arr1 = ...;
unsigned long untrusted_offset_from_caller = ...;
if (untrusted_offset_from_caller < arr1->length) {
    unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset_from_caller];
     ...
}

依據上方的 code，如果 arr1->length 沒有被快取到，處理器有可能就會將 arr1->data[untrusted_offset_from_caller] 的資料做預先讀取。這基本上是越界讀取了，不過在這狀況下沒差，因為執行到 if 那行時，處理器會發現這東東根本不會執行，所以會把所有預先執行的東西給扔了，把狀態回復。（所以這些指令都不會完成）

但如果改一下，改成這樣：

struct array {
    unsigned long length;
    unsigned char data[];
};
struct array *arr1 = ...; /* small array */
struct array *arr2 = ...; /* array of size 0x400 */
/* >0x400 (OUT OF BOUNDS!) */
unsigned long untrusted_offset_from_caller = ...;
if (untrusted_offset_from_caller < arr1->length) {
    unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset_from_caller]; /* value 即是越界讀到的值 */
    unsigned long index2 = ((value&1)*0x100)+0x200; /* index2 依據 value 產生兩個不同的數值, 0x200 和 0x300 */
    if (index2 < arr2->length) {
        unsigned char value2 = arr2->data[index2];
    }
}

假設執行到宣告 untrusted_offset_from_caller 附近之前，其他資料都被快取，除了 arr1->length、arr2->data[0x200] 和 arr2->data[0x300] 以外的狀況下，然後處理器又猜測這個片段會被執行的狀況下，處理器可能預先執行這些事情：

把 arr1->data[untrusted_offset_from_caller] 先做快取
把 arr2->data 也做快取，放進 L1 快取

然後繼續執行下去，因為會發現 if 根本成立不了，所以會跟之前一樣，把原本算完的東西給扔了，不過因為在預測執行錯誤的狀況下，不會把快取也砍了，所以這時候我們只要想辦法量測讀取 arr->data[0x200] 和 arr->data[0x300] 的時間，看看哪個時間短，只要是時間短的，就是有被快取，然後就可以知道 value 的數值到底是 0 或是 1。