Recent work has shown that out-of-order and speculative execution mechanisms used to increase performance in the majority of processors expose the processors to critical attacks. These attacks, called Meltdown and Spectre, exploit the side effects of performance-enhancing features in modern microprocessors to expose secret data through side channels in the microarchitecture. The well known implementations of these attacks exploit cache-based side channels since they are the least noisy channels to exfiltrate data. While some software patches attempted to mitigate these attacks, they are ad-hoc and only try to fix the side effects of the vulnerabilites. They may also impose a performance overhead of up to 30%. In this paper, we present a microarchitecture-based solution for Meltdown and Spectre that addresses the vulnerabilities exploited by the attacks. Our solution prevents flushed instructions from exposing data to the cache. Our approach can also be extended to other memory structures in the microarchitecture thereby preventing variants of the attacks which exploit these memory structures. We further identify two new variant attacks based on exploiting the side effects of speculative and out-of-order execution and show how our solution can be used to prevent these attacks. Evaluation results show that our microarchitectural solution not only restores secure out-of-order and speculative execution, but also has relatively low overhead and does not significantly impact performance for most applications.


翻译:近期研究表明,为提升性能而广泛采用的乱序执行与推测执行机制使处理器面临严重安全威胁。这类被称为Meltdown和Spectre的攻击利用现代微处理器中性能增强特性的副作用,通过微架构层面的侧信道泄露敏感数据。已知攻击实现主要利用基于缓存的侧信道,因其作为数据外泄通道的噪声最低。尽管已有软件补丁尝试缓解此类攻击,但均属临时性方案且仅针对漏洞副作用进行修补,同时可能带来高达30%的性能开销。本文提出一种基于微架构的解决方案,从根源上应对Meltdown和Spectre攻击所利用的漏洞。该方案通过阻止被冲刷指令向缓存暴露数据,其设计思想可扩展至微架构中其他存储结构,从而防范利用这些结构的攻击变种。我们进一步识别出两种基于推测执行与乱序执行副作用的新型变种攻击,并论证本方案可有效防御此类攻击。评估结果表明,该微架构解决方案不仅能实现安全的乱序与推测执行,且具有较低开销,对多数应用程序性能无显著影响。

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