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QiAnXinTI-SV-2017-0024 现代CPU中的预测执行和乱序执行相关机制漏洞通告

By 奇安信威胁情报中心 | 漏洞通告

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文档信息
编号 QiAnXinTI-SV-2017-0024
关键字 CPU Meltdown Spectre Out-of-Order Execution Speculative Execution CVE-2017-5754 CVE-2017-5753 CVE-2017-5715
发布日期 2018年1月5日
更新日期 2018年1月6日
TLP WHITE
分析团队 奇安信威胁情报中心、安全监测与响应中心

通告背景

2018年1月3日，Moritz Lipp、Thomas Prescher、Google Project Zero等安全研究人员以及安全研究团队披露了"Meltdown(熔断)"(漏洞编号为CVE-2017-5754)和"Spectre(幽灵)"(漏洞编号为CVE-2017-5753和CVE-2017-5715)两组现代CPU性能优化与执行机制相关的漏洞。

奇安信威胁情报中心分析确认基于Intel系列CPU相关漏洞可利用，由于执行加速机制是现代CPU的通用技术，因此所有处理器几乎都受此类漏洞影响。漏洞相关的技术细节和验证程序已经公开。相关漏洞极有可能被利用来执行大规模的攻击，构成现实的威胁，奇安信威胁情报中心发布此通告提醒用户采取应对措施。

漏洞概要
漏洞名称 Meltdown
威胁类型 信息泄露
威胁等级 高
漏洞ID CVE-2017-5754
漏洞利用场景 攻击在系统上执行恶意程序读取系统内存中敏感信息
受影响系统及应用版本 Intel系列CPU（1995年之后的所有的CPU型号，除了2013年之前的Intel 安腾和Atom外）
不受影响影响系统及应用版本 AMD CPU用户：根据AMD公司的声明，目前AMD CPU不受Meltdown漏洞影响
ARM CPU用户：根据ARM公司的声明，包括Cortex-A75在内的少数ARM核心CPU受影响
漏洞名称 Spectre
威胁类型 信息泄露
威胁等级 高
漏洞ID CVE-2017-5753 CVE-2017-5715
漏洞利用场景 攻击在系统上执行恶意程序或通过浏览器在用户系统上执行恶意脚本代码读取系统内存中敏感信息
受影响系统及应用版本 Intel CPU用户：几乎所有
AMD CPU用户：几乎所有
ARM CPU用户：根据ARM公司的声明，包括Cortex-A8， Cortex-A9等在内的约十种ARM核心CPU受影响，其他类型的ARM CPU不受影响
不受影响影响系统及应用版本

漏洞描述

Meltdown和Spectre两类攻击方式实际上利用了现代CPU中用于提升执行性能的两种并行执行特性：乱序执行（Out-of-Order Execution）和推测执行（Speculative Execution）。

表面上看，处理器是依次顺序执行既定的处理器指令。但是现代CPU为了更好利用处理器资源，使用了并行执行技术，该技术已经应用了20年左右(1995年开始)。假设，基于猜测或概率的角度，在当前的指令或分支还未执行完成前就开始执行可能会被执行的指令或分支，会发生什么？如果猜对了，直接使用，CPU执行加速了。如果猜测不正确，则取消操作并恢复到原来的现场（寄存器，内存等），结果会被忽略。

不幸的是，不管预测是否正确，CPU缓存中依然保留了推测执行中访问的内存数据，并且由于推测执行的过程是不受权限检测的（CPU在推测执行过程中不会进行权限检测，比如推测执行的应用层代码可以读取内核地址数据）。如果攻击者能触发推测执行去访问指定的敏感数据区域的数据，就可能读取到原本是其它用户或更高特权级的敏感数据，虽然这些越权读取的数据存储在CPU的缓存中，并且用户代码无权访问，但是通过一种低噪的侧信道攻击技巧可以“猜测”出越权读取的数据，从而造成严重的信息泄露。

影响面评估

实际攻击场景中，攻击者在一定条件下可以做到：

  • “读取”出本地操作系统所有内核数据，包括秘钥信息等
  • 通过获取泄露的信息，可以绕过内核，虚拟机超级管理器（HyperVisor）的隔离防护
  • 云服务中，可以泄露到其它租户敏感信息
  • 通过浏览器泄露受害者的帐号，密码，邮箱, cookie等用户敏感信息

利用场景

由于漏洞需要在用户机器上首先拥有代码执行权限所以可能的利用场景主要有以下三种：

  1. 云服务中的虚拟机 云服务中的虚拟机拥有代码执行权限，可以通过相关攻击机制获取完整的物理机的CPU缓存数据。

  2. 个人终端内核提权攻击 如果配合其他漏洞，可能通过利用该漏洞泄露内核模块地址绕过KASLR等防护机制实现其他类型的攻击（提权或命令执行）。

  3. 个人终端浏览器入口攻击 利用浏览器JIT特性预测执行特殊的JIT代码，从而读取整个浏览器内存中的数据，泄露用户帐号，密码，邮箱, cookie等隐私信息

影响范围

奇安信威胁情报中心已经确认公开的漏洞利用代码有效，使用漏洞验证程序（POC）可以读取内核地址空间的所有数据，受相关漏洞影响的产品包括但不限于：

  • 处理器芯片：Intel为主、ARM、AMD，对其他处理器同样可能存在相关风险；
  • 操作系统：Windows、Linux、macOS、Android；
  • 云服务提供商：亚马逊、微软、谷歌、腾讯云、阿里云等；
  • 各种私有云基础设施。
  • 桌面用户可能遭遇到结合该机理组合攻击或者通过浏览器泄露cookies、网站密码等信息。

处置建议

修复方法

本质上Meltdown和Spectre两类攻击方式造成的后果是“读取”系统任意地址空间的数据，由于大部分操作系统将所有内核数据都映射到了用户进程空间中，所以当前的防御措施是通过强制内核隔离（KAISER/KPTI）来尽可能避免用户进程映射内核中的数据，以此来防御“读取”内核数据的攻击，但是依然无法防御读取用户进程空间数据的攻击（Spectre）。而由于Spectre攻击的入口大部分为浏览器，所以基于Spectre攻击的防护主要在浏览器端进行，因此当前各厂商的防护方案主要集中在以下两方面：

  • 操作系统层实施内核隔离（KAISER/KPTI）
  • 浏览器中降低performance.now()函数的时间精度来缓解侧信道攻击（通过执行时间猜测数据）

个人用户

由于漏洞需要在用户机器上首先拥有代码执行权限，所以此类漏洞对个人用户的影响非常小，而借助于浏览器的JIT特性可以执行“幽灵”攻击类的恶意代码，所以浏览器成为攻击普通用户的最主要入口。目前微软提供的操作系统内核补丁多少会和本地杀毒软件存在兼容性问题，多应用环境下的测试显示甚至可能导致机器蓝屏。所以奇安信威胁情报中心建议普通用户先升级浏览器补丁以阻断目前已知的漏洞利用的最主要渠道：

  • 360浏览器防御方法

安装360 CPU一键免疫工具：

http://down.360safe.com/cpuleak_scan.exe

  • Chrome浏览器防御方法

开启Chrome的"站点隔离"的可选功能，启用站点隔离后，可以被侧信道攻击的数据减少，因为Chrome在单独的进程中为每个打开的网站呈现内容。Chrome浏览器会在1月下旬的更新中提供对漏洞的修复。

  • Edge/IE浏览器防御方法

升级Edge/IE浏览器补丁程序

  • Firefox浏览器防御方法

升级浏览器至Firefox 57.0.4版本：

https://www.mozilla.org/en-US/security/advisories/mfsa2018-01/

云端用户

基于本次漏洞的特性，如果在用户机器上拥有了代码执行权限，那么就可以越权访问内核数据或者虚拟机的宿主内存数据，这意味着任何虚拟机的租户或者入侵了成功一个虚拟机的攻击者，都可以通过相关攻击机制去获取完整的物理机的CPU缓存数据，而这种攻击对现有虚拟化节点的防御机制是无法感知的。奇安信威胁情报中心建议云端用户密切配合相关云厂商做好漏洞补丁修复工作。

技术分析

从本质上来讲，Meltdown和Spectre这两类攻击都属于基于CPU缓存(cache)的侧信道攻击的范畴。

相同的是这两种攻击方式所达到的目的都是一样的：促使CPU在微代码层面“提前”执行越权代码，由于CPU在微代码层面不会进行权限检查，所以“提前”执行的代码可以访问任意内存数据。

不同的是Meltdown利用了乱序执行（Out-of-Order Execution）来进行越权访问，而Spectre Attacks则利用了推测执行（Speculative Execution）来进行越权访问，接下来我们针对这两种攻击方式进行详细分析。

漏洞分析

Meltdown

Meltdown攻击利用现代CPU中乱序执行 （out-of-order execution）的特性，乱序执行（out-of-order execution）是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各CPU单元处理的技术，我们通过参考资料[2]中的示例代码来说明这一攻击的原理。

一个简化的Meltdown攻击指令序列：

1、rcx寄存器指向用户代码不可访问的内核地址

2、攻击者在指令4中访问内核内存地址，由于访问了内核地址，这一条指令将会触发异常，但由于指令4在CPU内部执行时并不受权限检测，所以读取到的内核数据被存放在了CPU缓存中

3、在等待CPU完成执行指令4的同时，后两条指令因为乱序执行机制实际上已经在CPU的内部执行单元中被执行

4、在CPU内部执行单元执行过的指令5将会把获取到的内核数据（1个字节）乘以4096，并在指令6中将其作为offset来对数组probe array进行访问

5、由于一个内存页的大小是4KB，不同的数据将会导致不同的内存页被访问并存放到CPU缓存中，所以，另一个攻击者进程（任务）就可以通过缓存侧信道攻击（已经被缓存的内存读取时间会更快），来了解哪个内存页被访问过了，从而推断出被访问的内核内存数据。

Spectre

Spectre攻击利用了现代CPU中推测执行（Speculative Execution）的机制来对系统进行攻击。推测执行（Speculative Execution）同样是一种CPU优化特性。在执行类似if () {}这类分支指令，并且在分支指令执行结束之前，CPU会预测哪一个分支会被运行，提取相应的指令代码并执行，以提高CPU指令执行的性能。当预测执行发现预测错误时，预测执行的结果将会被丢弃，CPU的状态会被重置。然而，与乱序执行类似，预测执行时CPU获取到的内存数据会被保留在CPU缓存中（包括越权获取的数据，虽然这些数据用户代码无权访问），我们通过参考资料[3]中的示例代码来说明这一攻击的原理。

  1. 首先申请一块内存，并写入如下数据

  1. 获取secret和array1的相对偏移量malicious_x

  1. 循环调用readMemoryByte函数，分别将malicious递增值作为其中一个参数

  1. 调用漏洞函数，利用CPU的预测执行机制将越权读取的数据cache到CPU缓存中

  1. 由于array2[array1[x]*512]的值被缓存，所以代码中通过rdtscp函数计算指令执行时间来判断哪个内存页被访问过（缓存的字节被当做另一系列被预测执行指令访问的数组下标，被访问的数组同样是在CPU中被预测读取），从而推断出被访问的secret内存数据

  1. POC验证执行结果，读取进程内的机密数据

  1. POC验证执行结果，读取内核中的EPROCESS地址（Spectre攻击同样可以“读取”内核数据） 读取内核中的EPROCESS地址

Windbg中对比确认读取的数据完全正确

限制条件

本质上讲Meltdown和Spectra都是基于侧信道的攻击，主要用于信息泄露，并不能对目标内存地址进行任意修改，以下分别介绍两种攻击的限制条件。

Meltdown

  • Meltdown攻击目前仅限于在Intel系列的现代CPU中访问受限内存，包括内核的地址空间
  • 由于Meltdown攻击所使用的特殊代码无法在浏览器JIT中生成，所以该攻击几乎只能在本地进行

Spectre

  • Spectre攻击需要目标程序具有特殊结构（比如浏览器JIT即时编译出的代码具有Spectra攻击所需要的特殊结构），所以受到目标软件的限制
  • Spectre攻击虽然适用于远程攻击，但是浏览器类JIT代码生成的Spectra攻击只能获取当前进程的内存数据，无法获取内核数据
  • Spectre攻击在Intel系列CPU上也可以读取目标内核内存数据

Meltdown和Spectre影响/防御对比

奇安信威胁情报中心整理了两类攻击的影响范围和防御方式，便于对比理解
Meltdown Spectre
读取系统内核层数据 是 是（测试Intel CPU）
通过KAISER/KTPI技术修复 是 否
读取任意用户层数据 是 是
远程攻击 极难 容易
主要影响范围 内核所有数据 浏览器进程数据
受影响CPU厂商 Intel Intel AMD ARM等

参考资料

[1]https://googleprojectzero.blogspot.de/2018/01/reading-privileged-memory-with-side.html?m=1&from=timeline&isappinstalled=0

[2] https://meltdownattack.com/meltdown.pdf

[3] https://spectreattack.com/spectre.pdf

[4] https://www.theregister.co.uk/2018/01/02/intel_cpu_design_flaw/

[5] https://portal.msrc.microsoft.com/en-us/security-guidance/advisory/adv180002

[6] https://blog.mozilla.org/security/2018/01/03/mitigations-landing-new-class-timing-attack/

[7] https://www.chromium.org/Home/chromium-security/ssca

[8] https://cert.360.cn/warning/detail?id=4d2dcc41695c47f3ffae0c3e7f65345d

更新历史
时间 内容
2018年1月5日 初始报告
CVE-2017-5754 CVE-2017-5753 CVE-2017-5715 SPECTRE MELTDOWN CPU OUT-OF-ORDER EXECUTION SPECULATIVE EXECUTION
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