はじめに

2018年1月、Meltdown/Spectreで大騒ぎになりました。ここではMeltdownについて扱います。MeltdownはCPUのmicro-architectureの脆弱性を利用したサイドチャネル攻撃で、読めないはずのカーネルメモリの内容を読めてしまうという、カーネルを守る壁を溶かしてしまう不思議な攻撃です。
どうやっているんでしょうね？

脆弱性の内容

前提知識

CPU cache、out-of-order実行、例外(一般保護違反)

Meltdown

【論文】Meltdown にPoCが載っています。

1     ; rcx = kernel address
2     ; rbx = probe array
3 retry:
4     mov al, byte [rcx] ; kernelのメモリを1バイト読み出す
                         ; 権限がないのでここで例外(一般保護違反)が上がるが、
                         ; 上る前に下のコードがout-of-order実行機構に
                         ; よって実行されるというのがキモの部分。
5     shl rax, 0xc       ; 読み出した値に 4096 をかける
6     jz retry           ; 4行目でkernelメモリを読み出すときに例外が投げ
                         ; られ読めなかった時、alは0になる場合があるそう
                         ; です。その時は読めるまでリトライするそうです。
                         ; (論文の5.2より)
                         ; でもkernelメモリの値が0だったときに引っかかりますね。
7     mov rbx, qword [rbx + rax] ; array[rax * 4096] ということ

5行目の 4096 という数字はpage size(=4KB)と一致します。もしかしたらOSによってpage inしたときにページ内のデータがすべてキャッシュに乗る場合がある時対策かもしれません。

C言語で擬似コードを書くと以下ですね。

static int probe[256 * 4096];
// probeのすべての領域をフラッシュしてキャッシュから追い出す.
unsigned char k = &0xXXXXXXXX; // 読みたい kernel memory アドレス.
unsigned char a = *k; // カーネルメモリから1バイト読み出す.
int tmp = probe[a * 4096]; // カーネルから読み出した値をインデックスとして値読み出し。つまりキャッシュに乗る。