解析一种SCA（侧通道攻击）的工作原理

一、 侧通道攻击的概念

1、概念解释

**侧通道攻击（Side-Channel Attacks, SCAs）**是一种通过分析系统在执行过程中产生的副产品信息，如时间消耗、电力使用、电磁辐射等，来推断内部敏感数据或状态的攻击方式。与直接破解加密算法不同，SCA利用了系统物理实现中的漏洞，因此具有较强的隐蔽性和挑战性。

2、实际例子

1. 基于时间的侧通道攻击：

   • 应用场景：加密算法的时间消耗可能与输入明文或密钥相关。
   • 攻击过程：测量加密函数在不同输入下的执行时间，通过分析时间差异推断出密钥信息。

2. 缓存侧通道攻击：

   • 应用场景：现代处理器中的缓存机制可能导致某些数据访问模式被泄漏。
   • 攻击过程：通过监测缓存访问的时间延迟，推断出加密算法中使用的密钥。

3. 电源消耗分析：

   • 应用场景：设备在执行加密操作时的电力消耗可能与密钥相关。
   • 攻击过程：使用示波器等工具测量设备的电流波动，分析数据以获取密钥信息。

二、基于处理器数据缓存的侧通道攻击方法解析

本章将围绕一段代码，详细解析如何基于处理器的数据缓存机制来提取特定数据位。

1、代码呈现

struct array {
    unsigned long length;
    unsigned char data[];
};
struct array *arr1 = ...; /* small array */
struct array *arr2 = ...; /* array of size 0x400 */
unsigned long untrusted_offset = network_read(...);
unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset];
unsigned long index2 = ((value&1)*0x100)+0x200;
unsigned char value2 = arr2->data[index2];

这段代码构建了一个用于后续数据处理和位提取的基础结构。下面将对代码的各个部分进行详细解读。

2、代码结构概述

2.1 结构体定义

代码首先定义了结构体 array，其代码如下：

struct array {
    unsigned long length;
    unsigned char data[];
};

该结构体包含两个成员：一个无符号长整型的 length，用于表示数组的长度；另一个是无符号字符型的可变长数组 data，用于存储实际的数据。

2.2 数组指针定义

struct array *arr1 = ...; /* small array */
struct array *arr2 = ...; /* array of size 0x400 */

代码中定义了两个指向 array 结构体的指针 arr1 和 arr2，其中 arr1 指向一个小数组，而 arr2 指向一个大小为 0x400 的数组。

3、代码执行流程

3.1 数据读取与索引计算

unsigned long untrusted_offset = network_read(...);
unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset];
unsigned long index2 = ((value&1)*0x100)+0x200;
unsigned char value2 = arr2->data[index2];

从网络读取一个无符号长整型值 untrusted_offset，并将其作为索引访问 arr1->data 数组，获取一个字节的值 value。接着，通过对 value 进行位运算 value&1，提取其最低位。根据这个最低位的值，计算 arr2 数组的索引 index2。具体来说，如果 value 的最低位是 0，则 index2 为 0x200；如果是 1，则 index2 为 0x300。最后，通过 index2 访问 arr2->data 数组获取另一个字节的值 value2。

3.2 利用缓存特性提取位信息

关键的步骤在于后续操作，即比较读取 arr2->data[0x200] 和 arr2->data[0x300] 的时间来推断提取的位是 0 还是 1。这一步正是利用了处理器的数据缓存机制。

现代处理器的数据缓存是以缓存行为单位进行数据存储和加载的，通常一个缓存行大小为 64 字节。当程序首次访问某个内存地址时，如果该地址的数据已经在缓存中（缓存命中），那么读取速度会非常快；如果数据不在缓存中（缓存未命中），则需要从内存中读取，这会花费更长的时间。

在这个例子中，选择较大的数组 arr2 以及距离较远的索引 0x200 和 0x300 是有原因的。如果使用小数组或者距离较近的索引，这两个地址很可能位于同一个缓存行内，无论 value 的最低位是 0 还是 1，访问这两个地址时都很可能是缓存命中，无法通过时间差来判断 value 的最低位。而使用大数组和距离较远的索引，可以确保这两个地址位于不同的缓存行，从而增大缓存未命中的概率，使时间差更明显。

4、结论

通过巧妙地利用处理器的数据缓存机制，这段代码实现了一种基于数组访问时间差来提取特定数据位的方法。这种技术在某些特定的应用场景中，如数据隐藏、安全验证等方面可能具有潜在的应用价值。但同时也需要注意，这种方法依赖于处理器的缓存特性，不同的处理器可能会有不同的缓存行为，因此在实际应用中需要进行充分的测试和验证。

三、 投机执行（Speculative Execution）困扰：为什么处理器会执行里面的分支？

上面程序为了避免程序能够访问任意地址，导致信息泄露，是不是可以通过增加边界判断来进行防御性编程。

  if (untrusted_offset < arr1->length) {
    unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset];
    unsigned long index2 = ((value & 1) * 0x100) + 0x200;
    if (index2 < arr2->length) {
        unsigned char value2 = arr2->data[index2];
    }
}

答案是不一定可以。cpu可能绕过if (untrusted_offset < arr1->length)边界判断执行后面的分支。为什么会出现这种情况？

现代CPU为了提高性能，采用了多种优化技术，其中之一便是投机执行（Speculative Execution）。这一机制允许CPU在不确定条件的情况下，提前执行可能的后续指令，从而减少等待时间并提升效率。

1. CPU流水线与多级处理

CPU采用流水线技术将一条指令分解为多个阶段进行处理：

• 取指 (Fetch)：从内存中读取指令。
• 解码 (Decode)：解析指令的含义。
• 执行 (Execute)：完成计算或数据操作。
• 写回 (Write Back)：将结果保存到寄存器或内存。

通过同时处理不同阶段的指令，CPU能够显著提高吞吐量。然而，条件分支（如if语句）会打破这种流水线的优势，因为后续指令的执行依赖于当前条件的结果。

2. 分支预测与投机执行

为了解决这个问题，CPU采用了分支预测技术，试图预测条件分支的走向：

• 静态预测：基于固定的规则（如“总是认为分支会被执行”）。
• 动态预测：根据历史执行情况来预测未来的分支行为。

一旦预测完成，CPU就会开始投机性地执行被预测到的后续指令。如果预测正确，执行效率将显著提升；如果错误，CPU会回滚到正确的路径，并丢弃之前错误的执行结果。

3. 示例代码中的投机执行

回到用户提供的代码：

struct array {
    unsigned long length;
    unsigned char data[];
};

struct array *arr1 = ...;  /* small array */
struct array *arr2 = ...;  /* array of size 0x400 */
unsigned long untrusted_offset = network_read(...);

if (untrusted_offset < arr1->length) {
    unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset];
    unsigned long index2 = ((value & 1) * 0x100) + 0x200;
    if (index2 < arr2->length) {
        unsigned char value2 = arr2->data[index2];
    }
}

• 假设 arr1->length 不在缓存中，需要从内存加载，这可能需要约100个时钟周期。
• 在等待arr1->length的这段时间内，CPU可能会基于预测（例如认为untrusted_offset < arr1->length为真），开始执行if内部的指令。

4. 条件为假时的处理

如果实际的条件判断结果为false，即untrusted_offset >= arr1->length：

• CPU会回滚到正确的执行路径，并丢弃之前错误执行的结果。
• 然而，缓存状态不会完全回滚。例如，访问arr1->data[untrusted_offset]可能已经导致数据被加载到缓存中。

5. 为什么缓存不回滚？

CPU的投机执行虽然会丢弃错误的结果，但对缓存的影响通常是不可逆的：

• 缓存加载：一旦从内存加载数据到缓存，即使后续判断为假并回滚执行路径，这些数据仍然存在于缓存中。
• 性能考虑：完全回滚缓存状态会增加额外的开销，影响整体性能。

6. 安全影响与防范措施

投机执行可能导致侧信道攻击（如Meltdown、Spectre漏洞），攻击者可以利用缓存状态的变化推断敏感信息。例如：

• 即使条件为假，访问特定内存地址的行为仍然可能被检测到。

防范措施：

• 软件层面：使用缓解技术，如分支预测器的硬化（Branch Prediction Hardening）和不可推测执行的屏障（Indirect Branch Restricted Instructions, IBRS）。
• 硬件层面：现代处理器增加了新的指令集扩展，以防止投机执行导致的安全漏洞。

7. 总结

CPU为了提高性能，采用了投机执行技术，在条件分支的情况下提前执行可能的后续指令。即使条件为假，内部的分支也会被执行，并可能导致缓存状态的变化。这种行为虽然提升了性能，但也带来了潜在的安全风险，需要通过软硬件结合的方式来加以防范。