李 晔 李沛南 赵路坦 侯 锐 张立新 孟 丹

(*中国科学院计算技术研究所 北京 100190) (**中国科学院信息工程研究所 北京 100093) (***中国科学院大学 北京 100049)

0 引 言

2018年初，谷歌公布了幽灵漏洞[1]与熔断漏洞[2]，揭示了当前主流的高性能处理器架构中存在着泄露敏感数据的安全风险。这2种漏洞的揭露像是打开了潘多拉魔盒，一系列变种接踵而至，层出不穷[3-5]。这些变种利用的根本原理是处理器中的乱序执行及推测执行。这2种技术可显著地提升性能，被作为最基本的优化技术，广泛应用于主流的商业处理器中。个人终端以及云端处理器的内核[2]或其他进程[2]的数据、状态寄存器[6]，运行在SGX中的私密数据[3]，系统管理模式SMM以及虚拟机管理器VMM[7]中的敏感信息都暴露给攻击者。幽灵和熔断漏洞在学术界与工业界引起了巨大的震动，微体系架构设计厂商Intel、AMD以及ARM陷入恐慌，云端至终端的运营商和使用者也都惶恐不安。各大公司研究者们积极并迅速地提出各种防御机制，避免由于此类漏洞引起重大信息泄露，以求平稳地度过安全危机。

在推测执行与乱序执行机制中，存在一些指令被提前推测执行，但最终却被废弃、无法提交，这些指令被统称为瞬态指令。虽然瞬态指令的执行指令不会影响体系结构的状态，不改变程序的运行结果，但其在微体系结构上遗留的信息可能隐含敏感信息，继而被攻击者挖掘。故此类漏洞被称为瞬态执行漏洞或推测执行侧信道[8]。深究瞬态执行漏洞产生的根源，是传统的体系结构均以性能优先作为设计导向，对于各种性能优化技术的安全性并没有做深入、详实的分析。……