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处理器芯片安全综述

陈聪聪 顾致扬 张吉良

陈聪聪, 顾致扬, 张吉良. 处理器芯片安全综述[J]. 电子与信息学报, 2026, 48(7): 2765-2780. doi: 10.11999/JEIT260026
引用本文: 陈聪聪, 顾致扬, 张吉良. 处理器芯片安全综述[J]. 电子与信息学报, 2026, 48(7): 2765-2780. doi: 10.11999/JEIT260026
CHEN Congcong, GU Zhiyang, ZHANG Jiliang. A Survey of Processor Security[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2026, 48(7): 2765-2780. doi: 10.11999/JEIT260026
Citation: CHEN Congcong, GU Zhiyang, ZHANG Jiliang. A Survey of Processor Security[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2026, 48(7): 2765-2780. doi: 10.11999/JEIT260026

处理器芯片安全综述

doi: 10.11999/JEIT260026 cstr: 32379.14.JEIT260026
基金项目: 国家自然科学基金(U24A20289),南京邮电大学引进人才科研启动基金项目(自然科学)(NY225070),南京邮电大学校级自然科学基金(NY225156)
详细信息
    作者简介:

    陈聪聪:男,博士,讲师,研究方向为处理器微架构安全、体系结构安全等

    顾致扬:男,硕士生,研究方向为处理器微架构安全等

    张吉良:男,博士,教授,博导,研究方向为集成电路硬件安全等

    通讯作者:

    张吉良 zhangjiliang@njupt.edu.cn

  • 中图分类号: TN918; TP309

A Survey of Processor Security

Funds: The National Natural Science Foundation of China (U24A20289), The Natural Science Research Start-up Foundation of Recruiting Talents of Nanjing University of Posts and Telecommunications (NY225070), The Natural Science Foundation of Nanjing University of Posts and Telecommunications (NY225156)
  • 摘要: 处理器芯片安全是信息安全的基石。长期以来,各种密码算法、应用程序和操作系统都以处理器作为可信基础。然而,随着摩尔定律的减缓,现代处理器在微架构设计中不断追求高性能和低功耗的目标,而忽视了安全性,导致近期安全漏洞频发。其中,以Meltdown和Spectre为代表的微架构时间信道漏洞备受关注,它们利用微架构状态变化引起的时间差异来突破基础的软硬件隔离,影响数十亿台主流CPU厂商的设备。此外,由于架构与微架构之间的界限变得模糊,催生了一系列新的攻击方式,使得时间信道从“硬件漏洞”发展为系统级安全问题。然而,现有文献主要基于硬件组件进行分类,掩盖了时序泄露的潜在共性,并限制了对软件信道分析的能力。该文对时间信道进行跨层综述,将基于硬件的和基于软件的泄漏统一在1个共同的抽象模型下。具体而言,该文首先分析了时间信道产生的4个基本条件,并根据核心泄露条件中共享可变状态的性质以及时间观测能力产生的机制将现有的软硬件攻击统一在1个分类模型下。基于该分类,该文全面回顾了近10年的攻击方法,系统地分析了它们的攻击步骤,并揭示了它们之间的共性。其次,基于阻断的泄露条件,对现有的防御技术进行分类,并指出防御的作用范围与失效原因。最后,总结了当前的自动化检测方法并对新兴平台下的时间信道安全研究与未来发展趋势进行了前瞻性的讨论。
  • 图  1  经典侧信道攻击步骤

    图  2  瞬态执行攻击步骤

    表  1  跨层时间信道攻击的统一分类体系

    泄露条件 攻击类别 硬件信道实例 软件信道实例
    共享状态在
    上下文切换
    后仍然保留
    状态驻留类 微架构的持久状态 TLB[11], LLC[2,12], BTB[13] -
    架构的持久状态 DRAMA[14], LLM[15], MetaLeak[16] Page[5], Write+Sync[17], SLUB[6]
    并发使用导致
    带宽降低/
    性能下降
    资源竞争类 结构性竞争 提交单元[18]、带宽[19]、Reload+Reload[20],
    LeakyHammer[21]
    KernelSnitch[22], Sync+Sync[23]
    仲裁型竞争 CPU环互连[24]、PCIe[25], Mesh[26] MES-Attacks[27,28]
    状态实现被延迟,
    快慢路径可区分
    延迟转换类 故障/中断触发延迟 SegScope[29], Thermalscope[30], Keydrown[31], WAIT[32] 写时复制[33]
    惰性切换延迟 LazyFP[34] -
    基于历史行为的
    预测或
    自适应优化
    异步反馈类 预取类 GoFetch[35], PrefetchX[36] BunnyHop[37], Prefetchw[38]
    预测执行类 Spectre-PHT[3], Spectre-RSB[39], RIDL[40],
    Fallout[41], ARMeD[42]、循环预测机制[43]
    -
    异常/故障类 Meltdown[4], Foreshadow[44] -
    注:表示当前未发现对应的实例。
    下载: 导出CSV

    表  2  时间信道防御技术分类

    防御类别 防御范围/目标 典型实例 防御开销
    基于隔离 分支预测器隔离 异步反馈类(分支预测攻击) BRB[47] 3.5%~5.5%
    XOR-BP [48] 约2.5%, 0.24%(硬件开销)
    HyBP[49] 0.5%, 21.1%(硬件开销)
    缓存隔离 状态驻留类(缓存侧信道) PhantomCache[50] 0.5%~1.2%
    DAWG[51] <2%
    敏感目标隔离 异步反馈类(异常/故障攻击) Site Isolation[52] 9%~13%(内存开销)
    KAISER[53] 1~10%
    限制可观测的
    微架构状态变化
    限制推测执行 异步反馈类(预测执行攻击) Retpoline[54] 5~10%
    CSF[55] <8%
    添加硬件结构 异步反馈类(预测执行与
    异常/故障攻击)
    InvisiSpec[56] 22%, 3.5%(面积开销)
    TreasureCache[57] <0.5%(硬件开销)
    CleanupSpec[58] 5.1%, 约1 kB(存储开销)
    撤销或阻止不安全
    推测的影响
    异步反馈类(预测执行与
    异常/故障攻击)
    NDA[59] 10.7%~125%
    SCSGuardian[60] 3.82%~5.97%
    时间侧信道 干扰隐蔽信道
    的测量
    注入