大家好，我是ConardLi，之前给大家分析过浏览器的攻略：《??HTTP 缓存别再乱用了!推荐一个缓存设置的最佳姿势!??》很多同学看了这篇文章都表示一头雾水。存在一个漏洞：Spectre漏洞。这个漏洞到底有什么魔力，让浏览器频繁的为它更新策略呢？今天我就给大家解释一下。如果Spectre中的一个漏洞很难构造，即使它能造成很大的危害，也未必会引起浏览器那么大的关注。那么我们今天的主角幽灵很容易构造，而且危害很大。使用Spectre，你可以：几行JavaScript，你可以读取你电脑/手机上的所有数据，浏览器中的网页可以读取你所有的密码，并且知道其他程序在做什么，这甚至都不知道要求你写出来的程序是易受攻击的，因为它是计算机硬件级别的漏洞。要理解Spectre，我们需要以下三个方面的知识：理解什么是旁道攻击，理解内存是如何工作的，理解计算机预测执行，其实是一些很基础的计算机知识，你可能在学校里学过。那么Spectre就巧妙的利用了以上三个原理，下面我们一一了解一下。您完全不必担心。我将以最简单的方式向您解释。先把这些知识拆解一下，最后拼起来，其实还是很容易理解的。内存的工作原理首先，我们的电脑是由很多部分组成的：存储：内存、硬盘等CPU输入输出设备：键盘、鼠标等我们的电脑运行时，程序是从存储设备中加载的进入CPU，CPU负责处理需要多次从内存中读取数据的繁重计算。然后将结果输出到我们的显示器等输出设备，这大概就是一个简单的计算机工作原理。接下来，让我们关注CPU和内存。内存中存放着很多你正在运行的程序，包括系统、用户数据等，同时也存放着CPU运行的中间结果。要存储如此多的信息，就需要一种标准化的存储方式。我们可以把内存想象成一堆排列的小内存块，每个内存块存储一位信息。另外，内存有很多层。CPU读取一个数据在里面是很慢的，所以我们在CPU和内存中建了好几级缓存。当我们拿到一个缓存的数据时，速度会更快。.那么当访问一个没有被缓存的数据时，该数据会在缓存内存中创建一个副本，下次访问时会非常快。这就是内存的一般工作原理。当然，这个过程简化了很多。我们这里只需要了解一下。侧信道攻击那么什么是侧信道（side-channel）呢？我们可以简单这样理解：如果在你的程序的正常通信通道之外还有另外一个特征，这些特征反映了你不想产生的信息，如果这个信息被别人获取了，你就会泄露。这种边缘特征产生的信息通道称为旁路。比如你的记忆在进行计算的时候，会产生一个电波，反映出记忆中的内容，有人用特定的方法收集这个电波，就形成了旁路。基于侧信道的攻击称为侧信道攻击。常见的绕过包括：延迟、异常、能耗、电磁、噪声、可见光、错误信息、频率等。反正你的操作总是有边缘特征的，一不小心，这个边缘特征就会成为泄漏的机会。下面举一个基于延迟的侧信道攻击的例子：假设我们想让计算机验证密码，比如我们的密码是ConardLi。我们从攻击者的角度来猜测一下，密码是多少？我们从一个字母来猜：密码是A，电脑告诉我：不是！密码是B，电脑告诉我：不行！1ms后密码为C。1.1ms后电脑告诉我：不行！你有没有发现任何问题？我们猜对了第一个字母，但是计算机告诉我们密码错误的时间增加了0.1ms？因为这一次，计算机发现第一个数字匹配后，需要验证第二个比特是否匹配，所以会多花一点时间。是不是很聪明！我们可以用同样的方法继续验证Ca，Cb，……Co，最终猜出我们的密码。这时候我们的猜测时间和密码的长度是线性关系，我们可以在O(n)的时间复杂度内猜出密码。如果直接爆破的话，至少需要计算52的8次方！这是旁路攻击，这该死的魅惑！CPU的预测执行正如我们上面提到的，当CPU运行时，它会频繁地从内存中调用信息。但是读内存很慢，CPU为此闲置了很长时间，只是在等待内存中的数据。这显然不是一个很好的解决方案。那么，人们会想，是不是CPU可以推测出需要执行的命令呢？假设我们有如下代码，根据内存中的某个数据判断执行不同的语句：if(Menory===0){//进行第一步计算//进行第二步计算//做第三步计算}这里有两种可能，Menory为0或者不为0。这时候CPU就会预测到什么时候等待内存数据了。假设读内存返回0，CPU不用等内存返回就可以跑路：跳过if判断，直接执行里面的计算命令。那么如果内存真的返回了0，说明CPU已经成功提前运行，CPU可以继续执行后面的命令。但是如果内存不返回0，CPU就会回滚上一次执行的结果。所以CPU执行需要非常小心，不要直接覆盖寄存器的值，这样才能真正改变程序的状态，一旦发现预测失败，立即回滚改变。攻击原理。我们已经掌握了该漏洞利用的所有因素。现在让我们来看看发生了什么。比方说下面是我们的缓存，读取它很慢。系统内核将其屏蔽，分配给不同的程序，如果考虑云计算，可能会分配给不同的虚拟机。不同程序可能分配的内存块是相邻的。我们继续沿用上一篇文章《??HTTP 缓存别再乱用了!推荐一个缓存设置的最佳姿势!??》的例子：红色的内存块存放的是我们受害者的数据，比如受害者的密码：操作系统会尽量保证一个程序不能访问属于其他程序的内存块，不同程序的内存块是隔离的。因此，其他程序无法直接读取“受害者”（红色区域）的数据：如果我们试图直接访问红色区域，肯定是读取不到的，但缓存中可能已经有一些数据了。接下来，我们可以尝试使用缓存来为它做点什么。我们在紫色的内存块中放了一个数组A。这块内存属于我们的程序，可以合法访问，但是很小，只有两位。但是我们并不满足于读取数组A中的两个元素，我们尝试越过A的范围（下标越界），访问A数组的第X个位置。但是X可能远远超出A数组的长度。通常情况下，CPU会阻塞这个操作，抛出一个错误：“非法操作”，然后强制结束这个操作，但是我们可以试着再观察一下这个过程，看看它是怎么做到的。我们在允许访问的内存范围内新建一个区域，可以称之为工具箱。我们特别要求CPU不要将这段数据复制到缓存中，而只保留在内存中，内存是一块连续的内存区域。假设我们执行的指令长这样，首先有一个if判断语句：if(name==='codesecretgarden'){//...}一般来说CPU执行会先忽略这个判断，因为需要等待内存返回的name的值是否等于codesecretgarden？因为有预测执行这样的技术，if语句里面的东西会被提前执行。if(name==='codesecretgarden'){accessTools[A[x]]}我们尝试读取Tools的第(XthelementofA)th元素。假设我们读到的victimmemory中有3：这是我们不应该读的，但是我们可以通过推测执行来做如下：CPU执行完不应该执行的命令后，CPU认为需要看A的值[X]。此时CPU不检查A[X]的下标是否越界，因为CPU认为内核会一直验证下标是否越界，如果越界，程序将被强制终止。所以预测执行直接查询A[X]的值，然后发现A[X]=3，即：Tools[A[x]]=Tools[3]，这是Tools中存储的第四个值在我们的实际记忆中。有一个元素a，重点来了：CPU访问到a后，将a（也就是Tools[3]）放入缓存！最后一步是遍历Tool中的每一个元素，我们发现访问前几个元素有点慢，直到访问第三个突然变快了！因为第三个元素a在缓存中存储了一份！当推测执行发现错误时，会回滚寄存器的变化，但不会回滚高速Cache！信息因此泄露，因为访问第三个元素比其他元素花费的时间更少！这是一种基于时间的旁路。所以，我们知道“受害者”在内存中的这个位置有一个3。后面我们可以把Tools区域做大一些，其他的数据你可以猜的更多！当然，这是在实际攻击中需要考虑的。上面已经分析了对Web的影响。显然，这种攻击实际上很容易使用JavaScript实现，几乎所有边界检查都可以绕过，允许任意内存边界读取。我们可以看下面这段代码：if(index
