熔毁 (安全漏洞)

熔毁（Meltdown），也译崩溃，编号，正式名称为「Rogue Data Cache Load」，常译作「恶意数据缓存加载」，是一个存在于英特尔大部分x86/x86-64微处理器、部分IBM POWER架构处理器以及部分ARM架构处理器中的关于推测执行机制的硬件设计缺陷及安全漏洞。该缺陷使得低权限的进程无论是否取得特权，均可以获取受高权限保护的内存空间中的资料，漏洞利用是基于时间的旁路攻击。2018年1月，该缺陷随另一个基于推测执行机制的重量级资讯安全漏洞、硬体缺陷「Spectre」（幽灵）在通用漏洞披露中公布。
由于英特尔处理器及IBM POWER处理器均在市场上占据极大的份额（出现缺陷的ARM处理器在缺陷被发现时尚未正式面市），这种涉及资讯安全的硬体缺陷影响范围甚广，包括几乎整个x86、POWER伺服器领域、几乎整个小型主机及大型主机市场、个人电脑市场等都无一幸免，另外该缺陷的危险程度之高（无需特权即可存取敏感资料所在的记忆体空间），曾一度令资安人员及机构怀疑缺陷的真实性，而提前公布这些缺陷还极有可能引发全球性的资安灾难，因而选择先与处理器厂商及核心客户联络协商备妥修补方案再另行公布。目前该硬体缺陷可通过软体实作规避，包括Linux系、Android、OS X/macOS、Windows等等都有相应的修复程式（像是Linux的内核页表隔离技术），但是软体规避将导致处理器效能的显著下降。而从根本上修复该缺陷的方法（包括修复「幽灵」缺陷）是重新设计处理器的微架构，为此英特尔、IBM及ARM都将新处理器微架构的推出时程大幅押后。
概述.
熔毁缺陷是基于设计不良的数位电路设计中出现的竞争条件，再结合许多现代微处理器的非依序执行及推测执行特性而产生。
在具备非依序执行及推测执行特性的处理器上，处理器会检测指令的相依性，对无相依性的指令会进行预先执行，或者当处理器执行某一指令出现异常而面临停顿时，处理器会先执行与异常指令无相依性的指令以跳过停顿，这两类指令执行方式的执行结果都会保存到CPU快取上一段时间以备使用（超过时间即抛弃结果），这些预测执行的动作包括分支预测，预读取，推测性内存访问，缓存缺失的重叠/乱序处理（MSHR）等等。
某行程的某条指令需要其指定某个记忆体位址的资料进行运算，基于CPU快取的机制，该笔资料会先载入至CPU快取上，而这个过程对于指令而言是透明的，因此其它行程是无法直接从CPU快取上得知该笔资料的内容，而又因资料未载入至CPU暂存器上，需要该资料的指令仍无法得知资料内容，在这里，基于分级保护域机制，CPU将资料从CPU快取载入至CPU的暂存器前是需要经过资料权限检查和记忆体位址合法性检查，只有这些资料的存取权限被确认等于或低于该行程的权限、记忆体位址空间的存取权限符合该行程的权限时，方能被相应行程的指令存取，否则将资料丢弃并对该指令进行异常处理。但是，而从记忆体载入资料到CPU快取时，CPU是既没有对这些资料进行权限检查也没有进行记忆体位址的合法性检查的，而没有被命中的CPU快取的资料也不会马上被清空。如果CPU快取的资料内容无法被得知，那么这种机制的处理逻辑并不会有问题，然而如果有方法可以从其它途径「偷看」CPU快取的资料内容的话，那么这种处理逻辑便存在缺陷。
要利用熔毁缺陷，在指令处理期间，用异常的指令使得CPU进入对异常指令的异常处理当中，同时令CPU的推测执行去先执行一些非法指令，内存访问和权限检查或记忆体位址合法性检查两种操作在这里发生竞争冒险，因为受影响的处理器中的指令流水线意味着在推测执行期间，来自未经授权地址的数据几乎总是被临时加载到CPU的缓存中，即使原始读取指令由于特权检查而最终失败并且从不产生可读结果，这个时候再利用旁道攻击，利用存取CPU快取及存取记忆体的时间差，重建目标资料。这样未经授权的进程就可从映射到当前进程的内存空间的任何地址读取数据。
由于许多操作系统将物理内存、内核进程和其他正在运行的用户空间进程映射到每个进程的地址空间，并依靠特权检查来防止未经授权的访问，因此，熔毁缺陷有效地允许运行在用户空间的恶意进程在不需要权限提升的情况下，读取任何物理内核或其他进程的映射的内存，不管它是否应该能够这样做。若要防范这个缺陷所造成的危害，需要避免使用内存映射方式或使用内存分页隔离（均是基于软件的解决方案，后者是将用户空间的内存地址与内核空间的内存地址相隔离，但这将增加内核态与用户态之间的上下文交换开销），或避免潜在的竞争条件（修改CPU的微代码和/或执行路径）。
恶意程式利用熔毁缺陷进行攻击活动时也无法被侦测感知，是该资安漏洞的一大危险之处。
受影响硬体.
最初发现熔毁缺陷主要在英特尔的微处理器产品上出现，但后来发现一些ARM架构的处理器也有该缺陷并被ARM确认，随后IBM的POWER架构的处理器也被发现有此缺陷也得到了IBM的确认。同为x86架构的AMD处理器则没有被发现有熔毁缺陷。而英特尔在处理器缺陷被发现公布数天后，才发表声明确认，除了使用依序执行的产品以外全系列的英特尔微处理器都有熔毁缺陷，并且在声明中指所有非依序执行的x86微处理器都有该缺陷以暗示竞争对手也受熔毁缺陷影响，不过另一家主要的x86微处理器供应商AMD则表示其处理器产品没有熔毁缺陷，并指出「我们之所以认为AMD的处理器不受缺陷影响，是因为我们的分页架构有特权级保护」。
同时期的另一个硬体缺陷——幽灵，受影响的处理器产品遍及当今所有采用分支预测技术的处理器（包括英特尔、AMD、ARM、IBM POWER等等），虽然相比熔毁缺陷更难利用（视不同CPU的微架构有所不同）
更为具体的，有缺陷的CPU型号数量非常多，Google的Project Zero报告指出，除了安腾以及2013年前的Atom系列，英特尔自1995年发表基于P6微架构的Pentium Pro开始所有具备非依序执行的CPU产品都有熔毁缺陷，P6微架构是英特尔首款具备预测执行的x86（IA-32）微架构，首发产品便是Pentium Pro，而后续的英特尔x86微架构除Netburst(Pentuim 4)外都是以P6为蓝本。
而ARM表示它们的主要处理器IP核不受影响，具体受影响的IP核型号已经公布。ARM Cortex-A75除了有熔毁缺陷以外还受幽灵漏洞的影响，而其它型号则没有熔毁缺陷。带预测执行技术的Cortex-R7、Cortex-R8、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A15、Cortex-A17、Cortex-A57、Cortex-A72及Cortex-A73 IP核只受幽灵的影响。ARM是在英特尔之后第二个被发现有熔毁缺陷的产品的，但与英特尔的不同，ARM唯一有熔毁缺陷的IP核产品Cortex-A75尚未有实作商用。另外，不使用预测执行技术的ARM架构处理器，也是当前使用数量最多的ARM产品，不受任何影响，也没有熔毁缺陷，这部分包括了大量使用在Android行动装置上的Cortex-A53 IP核，以及即将有商用实作案的Cortex-A55。仅使用Cortex-A53、Cortex-A55的处理器产品包括高通的骁龙630、626/625、400系列等、联发科的MT6795等、树莓派单板电脑使用的博通SoC等等。
IBM的POWER架构是第三个被发现有熔毁缺陷、受幽灵的处理器微架构，红帽公司在2018年1月3日公布了受这些缺陷影响的处理器型号，涵盖Z架构、POWER架构（包括最新的POWER8及POWER9）的产品，并发表了适用于这些指令集架构编译版本的RHEL之修复程式；IBM也立即公布了受影响型号清单并发布了相关的韧体修复程式和AIX、z/OS修复程式。
甲骨文公司表示SPARC V9的系统（T5、M5、M6、S7、M7、M8、M10、M12处理器）没有熔毁缺陷，但并未说明更老的、不再进行技术支援的处理器产品是否受这两大硬体缺陷的冲击。
漏洞修复.
2018年初，微软发布了Windows系统的安全性修正以修补漏洞。尽管Intel多次强调安全性修正并不会大幅影响处理器的性能，然而微软的测试显示了在安装漏洞安全性修正的Windows 7与Windows 8环境下，2015年（含）以前生产的Intel处理器会有性能下降，在某些测试下降幅甚至达到30%。性能下降在较旧的微架构如Haswell上尤其明显，在使用较新的微架构如Skylake、Kaby Lake的Windows 10系统上，降幅则较微小。
对于Intel的处置方式，Linux之父林纳斯·托瓦兹强烈表达了他的不满，称Intel的修正方案是「全然的垃圾」并说Intel正在做疯狂的、毫无道理的事情。以下节录他在一则邮件中对于Intel修补方式的回应。The patches do things like add the garbage MSR writes to the kernel
entry/exit points. That's insane. That says "we're trying to protect
the kernel". We already have retpoline there, with less overhead.
So somebody isn't telling the truth here. Somebody is pushing complete
garbage for unclear reasons. Sorry for having to point that out.
If this was about flushing the BTB at actual context switches between
different users, I'd believe you. But that's not at all what the
patches do.
As it is, the patches are COMPLETE AND UTTER GARBAGE.
They do literally insane things. They do things that do not make
sense. That makes all your arguments questionable and suspicious. The
patches do things that are not sane.
WHAT THE F*CK IS GOING ON?