用于侧信道攻击的 C 定时内存访问答案

【问题标题】：C timing memory access for side-channel attacks用于侧信道攻击的 C 定时内存访问
【发布时间】：2014-05-20 22:50:03
【问题描述】：

我正在学习密码学课程，我必须做一个关于侧信道攻击的演讲。因此，我正在尝试自己实现一个。

我特别想关注this paper。但是，我在使用这种低级编程时遇到了一些问题。

我编写了一个简短的 C 程序来计算对变量的访问时间，以便确定它是否被访问（虽然在这种情况下我是访问它的人，所以我事先知道答案） .然后重点是对其进行概括，以了解其他进程何时达到某个特定状态。

基本上，它会运行 10k 次迭代，并且在每次迭代中以 1/10 的概率访问一个指针。在每次迭代中，处理器访问指针的时间都会被注册，然后指针会从缓存中清除。这些值被打印到一个文件中。

这是我写的代码（汇编部分实际上来自我引用的论文）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>

int probe(char *adrs) {
    volatile unsigned long time;

    asm __volatile__ (
            " mfence \n"
            " lfence \n"
            " rdtsc \n"
            " lfence \n"
            " movl %%eax, %%esi \n"
            " movl (%1), %%eax \n"
            " lfence \n"
            " rdtsc \n"
            " subl %%esi, %%eax \n"
            " clflush 0(%1) \n"
            : "=a" (time)
            : "c" (adrs)
            : "%esi", "%edx");
    return time;
}

void myfunc(void* buffer[]) {
    int nptrs;

    nptrs = backtrace(buffer, 10);
}

int main(int argc, char** argv) {
    srand(time(NULL));

    int r = rand(), i;
    struct timespec tim, tim2;
    tim.tv_sec = 0;
    tim.tv_nsec = 5000L;
    void* buffer[10];
    char letter = 'c';
    char* p = &letter;

    FILE *f = fopen("output.txt","w");
    if(f == NULL) printf("Error opening file!\n");

    myfunc(buffer);
    for(i=0; i < 10000; i++) {
        r = rand();
        nanosleep(&tim,&tim2);
        if(r%10 == 3) { // 3 is completely arbitrary; could be any value really
            myfunc(buffer);
            printf("%c ",letter);
        }
        fprintf(f,"%d,%d,%d\n", r%10 == 3, probe(buffer[0]),probe(p)); // print the timings to file, and whether the variable was accessed or not
    }

    return 0;
}

现在我的问题：如果 r % 10 == 3，这应该写入文件“1，x，y”，x 和 y 小，否则，“0，x，y”，x 和 y 大.我尝试在运行 Debian（32 位和 64 位）的两个不同 VM 中运行它，两者均使用 gcc 4.7.2（仅使用的标志是 -g）编译，但我得到了不同的结果，这些都不是我想要的.

在 32 位 VM 中，“probe(buffer[0])”似乎有点工作，但并非总是如此。但是“probe(p)”总是返回低值（这绝对没有给我任何信息）。这是输出的相关部分（完整输出可用here）：

0,250,48
1,33,54
0,74,33
1,36,33
0,61,33
0,92,33
0,48,62
0,405,33

在 64 位 VM 中，这两个值几乎总是高于 4000，与是否访问指针无关。另一个相关部分（以及完整输出here）：

1,4341,4371
0,4320,4341
0,4495,4320

所以我的问题是：

在 32 位 VM 中，为什么 char* 访问总是非常快？（void* 和 char* 有区别吗？还是其他原因）
为什么虚拟机有不同的结果？
在 64 位 VM 中，为什么两个值都在 4000 左右？

【问题讨论】：

有人真的很喜欢击剑！
我花了一些时间才明白你的意思，我以为你的意思是这项运动:)。是的，根据作者的说法，他们的目的是确保指令按顺序执行。我从来没有真正学过asm，但解释似乎很有意义。 :)
嗯...内存排序是一个非常微妙的话题，我强烈建议您至少浏览一下架构手册并了解每条指令的用途。我认为一半的栅栏的效果完全为零，但我不能保证。

标签： c pointers caching cryptography

【解决方案1】：

这是一个非常有趣的问题。

char* 和 void* 之间应该没有区别，唯一的区别在于指针算法。但是，我认为您在 32 位和 64 位之间看到的差异是由于体系结构的变化。 64 位在访问内存时通常比 32 位慢，但由于有更多的寄存器，它们通常不必访问内存那么多。 Here's a link to info on 64-bit architecture, and the difference from 32-bit.

【讨论】：