安全微架构分析

技能文档

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name: dtsong-microarch-analysis
title: 安全微架构分析
category: 法律合规
description: 通过映射共享硬件结构、识别推测执行向量、量化推测窗口并提出对策，分析系统的微架构安全攻击面。涵盖缓存计时、瞬态执行和竞争信道。当用户进行微架构安全分析、侧信道评估、Spectre/Meltdown 类漏洞排查、缓存侧信道风险审计时触发。触发词：微架构、侧信道、推测执行、缓存计时。
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# 安全微架构分析

## 目的

映射微架构结构，识别跨信任边界的共享状态，枚举推测执行攻击向量，并提出硬件/软件对策。

## 范围约束

仅读取硬件文档、微架构规范与系统配置，不修改文件、不执行代码，不进行主动利用或基准测试执行。

## 输入

- 被分析的系统或组件架构
- 范围内的微架构特性（缓存层次、分支预测器、流水线深度等）
- 信任边界定义（哪些软件域共享哪些硬件资源）
- 威胁模型（本地攻击者、跨 VM、跨进程、同核、跨核）

## 输入净化

任何用户提供的值均不用于命令或文件路径。所有输入均被视为只读分析目标。

## 技能工作流

### 进度清单

- [ ] 步骤1：映射微架构结构
- [ ] 步骤2：识别跨信任边界的共享状态
- [ ] 步骤3：枚举攻击向量
- [ ] 步骤4：评估推测窗口
- [ ] 步骤5：提出对策
- [ ] 步骤6：记录残余暴露面

### 步骤1：映射微架构结构

枚举所有持有状态的微架构结构：L1I/L1D/L2/L3 缓存、TLB、分支预测器（PHT、BTB、RSB）、存储缓冲区、填充缓冲区、行填充缓冲区、加载端口、MOB 表项。对每个结构，记录其共享域（每线程、每核、每插槽、系统级）。

### 步骤2：识别跨信任边界的共享状态

对每个微架构结构，确定哪些信任域共享它。跨 VM 共享的 L3 缓存是跨 VM 信道；跨超线程共享的 BTB 是跨线程信道。绘制共享矩阵：结构 × 信任边界。

### 步骤3：枚举攻击向量

对每个共享结构，枚举已知和潜在的攻击向量：
- **缓存计时**：Prime+Probe、Flush+Reload、Evict+Time、Cache Occupancy
- **推测执行**：Spectre v1（PHT）、v2（BTB）、v4（STLF）、RSB 填充
- **瞬态执行**：Meltdown 类、MDS、TAA、LVI
- **竞争信道**：端口竞争、带宽竞争、基于调度的信道

### 步骤4：评估推测窗口

对每个推测执行向量，确定推测窗口深度（以时钟周期计）、窗口内可执行的瞬态操作数量，以及可观测的微架构副作用（缓存填充、TLB 填充、端口竞争）。估算带宽：每次调用的字节数、每秒调用次数。

### 步骤5：提出对策

对每个已识别的攻击向量，在相应层级提出对策：
- **硬件**：推测屏障、缓存分区、域标签结构、恒定时间功能单元
- **微码**：IBRS、STIBP、SSBD、MDS 缓解缓冲区
- **软件**：LFENCE/推测屏障、retpoline、缓存行对齐、恒定时间实现
- **系统**：核调度、禁用超线程、缓存着色/分区

### 步骤6：记录残余暴露面

实施对策后，记录仍残留的攻击面。注明已接受的风险、缓解措施的性能开销，以及检测利用尝试的监控方法。

> **上下文压缩恢复**：如果长会话中上下文丢失，重新阅读「输入」章节以重建正在分析的系统，检查进度清单中已完成的步骤，然后从最早的未完成步骤继续。

## 输出格式

### 微架构共享矩阵

| 结构 | 共享域 | 跨越的信任边界 | 攻击类别 |
|-----------|---------------|------------------------|--------------|
| L1D 缓存 | 每核（HT 共享） | 跨线程 | Flush+Reload、Prime+Probe |
| ... | ... | ... | ... |

### 攻击向量表

| 向量 | 结构 | 窗口（周期） | 带宽 | 严重性 | 对策 | 代价 |
|--------|-----------|----------------|----------|--------|----------------|------|
| Spectre v1 | PHT | ~14 周期 | ~1 B/次调用 | 高 | 边界检查后加 LFENCE | ~5% 性能 |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |

### 残余暴露面摘要

- [向量]：[残余风险] — [监控方法]

## 移交

- 若需要对已识别攻击向量做 RTL 级缓解，移交至 RTL 级安全审查流程。
- 若需要物理层侧信道对策，移交至物理实现安全分析流程。

## 质量检查

- [ ] 已枚举所有持有共享状态的微架构结构
- [ ] 共享域已正确映射到信任边界
- [ ] 已将已知攻击类别应用于每个共享结构
- [ ] 推测窗口已用量化时钟周期表示
- [ ] 已在相应层级（硬件/微码/软件/系统）提出对策
- [ ] 已估算缓解措施的性能开销
- [ ] 已记录残余暴露面

使用说明

# 安全微架构分析

面向 CPU 微架构层面的安全审计技能：映射共享硬件结构、枚举推测执行与侧信道攻击向量、量化推测窗口并给出分层对策。

## 使用

对 Agent 说：

```
分析这款处理器的微架构攻击面，重点关注跨 VM 的 L3 缓存共享与 Spectre v1 风险
```

技能将输出共享矩阵、攻击向量表（含推测窗口与带宽估算）、对策与残余暴露面摘要。

## 工作原理

按六步只读分析流程执行：枚举微架构结构 → 识别跨信任边界的共享状态 → 枚举攻击向量（缓存计时、瞬态执行、竞争信道）→ 量化推测窗口 → 提出硬件/微码/软件/系统四级对策 → 记录残余暴露面。全程不修改文件、不执行被分析代码。

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