Các lỗ hổng của Spectre và Meltdown là gì?

Hai trong số những lỗ hổng được công bố rộng rãi nhất trong những năm 2010 có liên quan rất chặt chẽ với nhau. Thay vì là lỗ hổng bảo mật trong phần mềm, Spectre và Meltdown là lỗ hổng trong thiết kế cơ bản của CPU khiến vấn đề khó giải quyết hơn. Bản thân các vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng, cho phép tiết lộ bộ nhớ từ các ứng dụng khác và hệ điều hành.

Tổng quat

CPU sử dụng các thiết kế cực kỳ tiên tiến để đạt được hiệu suất cao nhất bao gồm các kỹ thuật bao gồm thực thi suy đoán và dự đoán nhánh. Thực thi đầu cơ là nơi CPU bắt đầu chạy một quá trình trước khi nó biết liệu nó có cần đến hay không, nhằm tiết kiệm thời gian khi nó xác định rằng nó cần. Dự đoán rẽ nhánh là một tập hợp con của thực thi suy đoán cố gắng dự đoán kết quả của một quá trình và sau đó bắt đầu tính toán bước tiếp theo dựa trên giá trị dự đoán đó cho phép CPU thực hiện một loạt các lệnh không theo thứ tự.

Lỗ hổng Spectre xuất phát từ việc triển khai hai tính năng này. Nó cho phép ứng dụng vi phạm các kỹ thuật cách ly bộ nhớ được tích hợp trong hầu hết các phần mềm hiện đại cho phép tiết lộ bộ nhớ, bao gồm các bí mật như mật khẩu và khóa mã hóa. Một trong những vấn đề với Spectre là dữ liệu có thể được truy cập từ các ứng dụng không có bất kỳ lỗ hổng bảo mật nào vì chỉ cần có chương trình độc hại.

Lỗ hổng Meltdown dựa trên một số kỹ thuật bộ nhớ, cũng như hệ thống thực thi suy đoán đã đề cập ở trên. Nó sử dụng một “điều kiện chạy đua” giữa quá trình thực thi và kiểm tra đặc quyền và cho phép một chương trình độc hại truy cập vào bộ nhớ của các ứng dụng khác và hệ điều hành.

Mẹo: "Điều kiện cuộc đua" là một vấn đề trong đó một nhiệm vụ phải dựa vào nhiệm vụ khác, nhưng lệnh thực thi chính xác không được thực thi. Điều này có thể dẫn đến quá trình “thứ hai” chạy trước và sử dụng bộ nhớ chưa được khởi tạo mà lẽ ra phải chứa kết quả của quá trình “đầu tiên”, làm rò rỉ nội dung trước đó của bộ nhớ đó. Trong trường hợp cụ thể này, quy trình sẽ không chạy cho đến khi kiểm tra quyền đã xác minh rằng nó được phép, nhưng kiểm tra quyền có thể xảy ra lần thứ hai do tối ưu hóa hiệu suất.

Các hiệu ứng

Vào giữa năm 2017, nhiều nhóm đã phát hiện và báo cáo riêng tư cả Meltdown và Spectre cho các nhà sản xuất CPU, những người đã phát triển các bản vá. Do các bản vá nhắm mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất, chúng đã làm giảm hiệu suất của CPU lên tới 30% trong các tình huống xấu nhất, với mức giảm hiệu suất 2-14% thể hiện nhiều hơn trải nghiệm của mọi người.

Các lỗ hổng đã ảnh hưởng đến nhiều CPU x86, CPU POWER của IBM và một số CPU dựa trên ARM. Meltdown ảnh hưởng đến phần cứng thường thấy trong máy tính cá nhân cũng như máy chủ đám mây. Spectre ảnh hưởng đến máy tính cá nhân, máy chủ đám mây và thiết bị di động. Tất cả các CPU intel từ năm 1995 đến giữa năm 2018 đều dễ bị sự cố (loại trừ dòng Itanium và Atom trước năm 2013). CPU AMD không bị ảnh hưởng bởi Meltdown nhưng dễ bị tấn công bởi Spectre.

Các bản vá giảm thiểu phần mềm đã được phát triển và phát hành thông qua các nhà cung cấp hệ điều hành để giải quyết phần lớn các vấn đề. Kể từ giữa năm 2018, Intel đã cập nhật thiết kế CPU của họ để bao gồm các biện pháp giảm thiểu phần cứng cho các vấn đề này.

Cả hai vấn đề đều có thể bị khai thác thông qua các trang web độc hại với JavaScript được tạo thủ công, vì vậy điều thực sự quan trọng là đảm bảo rằng các bản vá bảo mật được cài đặt trên mọi hệ thống, ngay cả khi việc mất hiệu suất sẽ nghiêm trọng. Thật không may, các vấn đề không thể được khắc phục với một bản vá duy nhất, vì chúng là những vấn đề cực kỳ phức tạp khi tích hợp sâu vào phần cứng, các bản vá bảo mật sẽ tiếp tục tung ra theo thời gian khi các biến thể mới hơn được phát hiện.