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- 翻译:
崔巍 Cui Wei <chris.wei.cui@gmail.com>
推测执行¶
本文档解释了推测执行的潜在影响，以及如何使用通用API来减轻不良影响。
为提高性能并减少平均延迟，许多现代处理器都采用分支预测等推测执行技术，执行结果 可能在后续阶段被丢弃。
通常情况下，我们无法从架构状态（如寄存器内容）观察到推测执行。然而，在某些情况 下从微架构状态观察其影响是可能的，例如数据是否存在于缓存中。这种状态可能会形成 侧信道，通过观察侧信道可以提取秘密信息。
例如，在分支预测存在的情况下，边界检查可能被推测执行的代码忽略。考虑以下代码:
int load_array(int *array, unsigned int index)
{
if (index >= MAX_ARRAY_ELEMS)
return 0;
else
return array[index];
}
在arm64上，可以编译成如下汇编序列:
CMP <index>, #MAX_ARRAY_ELEMS
B.LT less
MOV <returnval>, #0
RET
less:
LDR <returnval>, [<array>, <index>]
RET
处理器有可能误预测条件分支，并推测性装载array[index]，即使index >= MAX_ARRAY_ELEMS。 这个值随后会被丢弃，但推测的装载可能会影响微架构状态，随后可被测量到。
涉及多个依赖内存访问的更复杂序列可能会导致敏感信息泄露。以前面的示例为基础，考虑 以下代码:
int load_dependent_arrays(int *arr1, int *arr2, int index)
{
int val1, val2,
val1 = load_array(arr1, index);
val2 = load_array(arr2, val1);
return val2;
}
根据推测，对load_array()的第一次调用可能会返回一个越界地址的值，而第二次调用将影响
依赖于该值的微架构状态。这可能会提供一个任意读取原语。
缓解推测执行侧信道¶
内核提供了一个通用API以确保即使在推测情况下也能遵守边界检查。受推测执行侧信道影响 的架构应当实现这些原语。
<linux/nospec.h>中的array_index_nospec()辅助函数可用于防止信息通过侧信道泄漏。
调用array_index_nospec(index, size)将返回一个经过净化的索引值，即使在CPU推测执行 条件下，该值也会被严格限制在[0, size)范围内。
这可以用来保护前面的load_array()示例:
int load_array(int *array, unsigned int index)
{
if (index >= MAX_ARRAY_ELEMS)
return 0;
else {
index = array_index_nospec(index, MAX_ARRAY_ELEMS);
return array[index];
}
}