Как именно работает Meltdown

• Разработка под Linux,
• Информационная безопасность

Уже третий день у всех на слуху слова Meltdown и Spectre, свеженькие уязвимости в процессорах. К сожалению, сходу найти что либо про то, как именно работают данные уязвимости (для начала я сосредоточился на Meldown, она попроще), у меня не удалось, пришлось изучать оригинальные публикации и статьи: оригинальная статья, блок Google Project Zero, статья аж из лета 2017. Несмотря на то, что на хабре уже есть перевод введения из оригинальной публикации, хочется поделиться тем, что мне удалось прочитать и понять.

Честно утащено с Хабра - https://habrahabr.ru/post/346078/

Как работает процессор

Последние десятилетия, начиная с 1992 года, когда появился первый Pentium, Intel развивала суперскалярную архитектуру своих процессоров. Суть в том, что компании очень хотелось сделать процессоры быстрее, сохраняя при этом обратную совместимость. В итоге современные процессоры — это очень сложная конструкция. Просто представьте себе: компилятор изо всех сил трудится и упаковывает инструкции так, чтобы они исполнялись в один поток, а процессор внутри себя дербанит код на отдельные инструкции, и начинает исполнять их параллельно, если это возможно, при этом ещё и переупорядочивает их. А всё из-за того, что аппаратных блоков для исполнения команд в процессоре много, каждая же инструкция обычно задействует только один их них. Подливает масла в огонь и то, что тактовая частота процессоров росла сильно быстрее, чем скорость работы оперативной памяти, что привело к появлению кешей 1, 2 и 3 уровней. Сходить в оперативную память стоит больше 100 процессорных тактов, сходить в кэш 1 уровня — уже единицы, исполнить какую нибудь простую арифметическую операцию типа сложения — пара тактов.

В итоге, пока одна инструкция ждёт получения данных из памяти, освобождения блока работы с floating point, ну или ещё чего нибудь, процессор спекулятивно отрабатывает следующие. Современные процессоры могут таким образом параллельно обрабатывать порядка сотни инструкций (97 в Sky Lake, если быть точным). Каждая такая инструкция работает со своими копиями регистров (это происходит в reservation station), и они, в момент исполнения, друг на друга не влияют. После того, как инструкция выполнена, процессор пытается выстроить результат их выполнения в линию в блоке retirement, как если бы всей этой магии суперскалярности не было (компилятор то про неё ничего не знает и думает, что там последовательное исполнение команд — помните об этом?). Если по какой-то причине процессор решит, что инструкция выполнена неправильно, например, потому, что использовала значение регистра, которое на самом деле изменила предыдущая инструкция, то текущая инструкция будет просто выкинута. То же самое происходит и при изменении значения в памяти, или если предсказатель переходов ошибся.

Кстати, тут должно стать понятно, как работает гипертрединг — добавляем второй Register allocation table, и второй блок Retirement register file — и вуаля, у нас уже как бы два ядра, практически бесплатно.

Память в Linux

В 64-битном режиме работы у каждого приложения есть свой выделенный кусочек доступной для чтения и записи памяти, который собственно и является userspace памятью. Однако, на самом деле память ядра тоже присутствует в адресном пространстве процесса (подозреваю, что сделано было с целью повышения производительности работы сисколов), но защищена от доступа из пользовательского кода. Если он попытается обратиться к этой памяти — получит ошибку, это работает на уровне процессора и его колец защиты.

Side-channel атаки

Когда не получается прочитать какие либо данные, можно попробовать воспользоваться побочными эффектами от работы объекта атаки. Классический пример: измеряя с высокой точностью потребление электричества можно различить операции, которые выполняет процессор, именно так был взломан чип для автосигнализаций KeeLoq. В случае Meltdown таким побочным каналом является время чтения данных. Если байт данных, содержится в кэше, то он будет прочитан намного быстрее, чем если он будет вычитываться из оперативной памяти и загружаться в кэш.

Соединяем эти знания вместе

Собственно, суть атаки то очень проста и достаточно красива:

1. Сбрасываем кэш процессора.
2. Читаем интересную нам переменную из адресного пространства ядра, это вызовет исключение, но оно обработается не сразу.
3. Спекулятивно делаем чтение из массива, который располагается в нашем, пользовательском адресном пространстве, на основе значения переменной из пункта 2.
4. Последовательно читаем массив и аккуратно замеряем время доступа. Все элементы, кроме одного, будут читаться медленно, а вот элемент, который соответствует значению по недоступному нам адресу.

Таким образом, объектом атаки является микроархитектура процессора, и саму атаку в софте не починить.

Код атаки

• ; rcx = kernel address
• ; rbx = probe array
• retry:
• mov al, byte [rcx]
• shl rax, 0xc
• jz retry
• mov rbx, qword [rbx + rax]

Теперь по шагам, как это работает.
mov al, byte [rcx] — собственно чтение по интересующему атакующего адресу, заодно вызывает исключение. Важный момент заключается в том, что исключение обрабатывается не в момент чтения, а несколько позже.
shl rax, 0xc — зачение умножается на 4096 для того, чтобы избежать сложностей с механизмом загрузки данных в кэш
mov rbx, qword [rbx + rax] — "запоминание" прочитанного значения, этой строкой прогревается кэш
retry и jz retry нужны из-за того, что обращение к началу массива даёт слишком много шума и, таким образом, извлечение нулевых байтов достаточно проблематично. Честно говоря, я не особо понял, зачем так делать — я бы просто к rax прибавил единичку сразу после чтения, да и всё. Важный момент заключается в том, что этот цикл, на самом деле, не бесконечный. Уже первое чтение вызывает исключение

Как пофиксили в Linux

Достаточно прямолинейно — стали выключать отображение страниц памяти ядра в адресное пространство процесса, патч называется Kernel page-table isolation. В результате на каждый вызов сискола переключение контекста стало дороже, отсюда и падение производительности до 1.5 раз.