利用 Intel 最新 ISA 扩展中的缓存降级操作削弱安全性

ISA 扩展正越来越多地被采用，以在不要求完整架构重新设计的情况下提升专用工作负载的性能。然而，这些增强可能无意中在微架构中暴露出新的攻击面。本文研究了 Intel 最近引入的 cldemote 扩展，该扩展通过将缓存行从上层缓存转移到最后一级缓存（LLC）来促进高效数据共享。尽管具有性能优势，但我们发现了关键特性——无特权访问、缓存间状态转换和故障抑制——使得 cldemote 可被利用于微架构攻击。我们基于分析提出了两种新的攻击原语：Flush+Demote 和 Demote+Time。Flush+Demote 构建了带宽为 2.84 Mbps、比特错误率为 0.018% 的隐蔽信道，而 Demote+Time 在 Linux 上可在 2.49 毫秒内去随机化内核基地址。此外，我们展示了利用 cldemote 可以通过消除对辅助线程或广泛缓存冲突的需求来加速非包容性 LLC 设计中的驱逐集构建，从而将构建时间减少 36%，同时保持可比的成功率。最后，我们研究了 ISA 扩展如何有助于更广泛的微架构攻击，识别了五种关键可利用特性并对四种不同攻击类型进行了分类。我们还讨论了潜在的应对措施，强调新兴 ISA 扩展的深远安全影响。