15、缓存侧信道攻击的自动化量化

缓存侧信道攻击的自动化量化

1 引言

缓存侧信道攻击是指攻击者通过监控和分析CPU缓存的行为，从中推断出程序的敏感信息。这类攻击在现代计算机架构中尤为常见，因为缓存的存在是为了弥补CPU与主内存之间的速度差距，但在安全方面却带来了新的挑战。当缓存未命中时，访问主内存的时间显著增加，这使得攻击者可以通过测量内存访问时间来判断缓存命中或未命中，进而推测出部分缓存状态信息。这些信息可以用于提取加密密钥，尤其是在高速软件实现的AES中，由于大量使用查找表，缓存攻击变得尤为有效。

本文将探讨如何自动化量化缓存侧信道攻击的影响，并通过具体案例展示其应用。我们将介绍一种基于静态缓存分析和定量信息流分析相结合的方法，该方法能够计算出攻击者通过观察缓存行为所能获取的最大信息量。

2 缓存侧信道攻击的背景

2.1 缓存工作原理

缓存是一种高速存储器，位于CPU和主内存之间，用于减少内存访问延迟。典型的缓存结构包括多个缓存行，每个缓存行可以存储一定数量的数据。当CPU请求数据时，首先检查缓存中是否存在所需数据（即缓存命中）。如果命中，则直接从缓存读取数据；否则，需要从主内存中加载数据到缓存（即缓存未命中）。缓存未命中会导致显著的性能下降，同时也可能暴露程序的内部状态。

2.2 缓存攻击的类型

缓存攻击主要分为两类：

• 缓存命中/未命中攻击 ：攻击者通过测量内存访问时间，判断缓存是否命中，从而推断出程序的部分状态。
• 缓存分配攻击 ：攻击者通过操纵缓存行的分配策略，影响程序的缓存命中率