赵佳利，彭双和，韩 静

（北京交通大学 智能交通数据安全与隐私保护技术北京市重点实验室，北京 100044）

0 引言

近年来，基于计算机微体系结构相关知识进行侧信道攻击[1]的研究成为热点之一。其中，基于计算机存储体系访问不同存储部件时间差异的侧信道攻击，利用Cache与主存之间的存取时间差异进行攻击，从而获取密码算法中的私钥信息，给信息安全造成了极大的威胁。

Cache[2]是一种高速缓冲存储器，用于保存CPU频繁使用的数据，解决CPU与内存之间的显著速度差异。在使用Cache技术的处理器上，当一条指令要访问内存的数据时，首先查询Cache缓存中是否有数据以及数据是否过期，如果数据未过期，则从Cache读出数据。处理器会定期回写Cache中的数据到内存。

目前主流的CPU Cache分为一级缓存[3]（简称为L1）和二级缓存，部分还有三级缓存。一个四核三级缓存的缓存结构见图1，每一级缓存中存储的全部数据都是下一级缓存的一部分。CPU在读取数据时，首先会在一级缓存中寻找数据，如果没有找到就去二级缓存中寻找，如果还没有找到就去三级缓存中寻找，如果整个Cache都没有，则去内存中寻找，然后将数据缓存到Cache中。Cache的级别越低，离CPU越近，相应地速度越快，而存储容量越小。

图1 四核CPU三级缓存的缓存结构

这种侧信道攻击从理论上来讲，比较容易理解，但实现起来学生觉得无从下手，主要原因是教学涉及的实践环节比较少。

1 教学改革的重要性

在本科教学中，很多课程（如操作系统、计算机组成原理、系统结构等）都提到了Cache；……