erickcestari/SMT-TLB-side-channel-attack

# SMT TLB 侧信道演示 这是一个在 SMT（超线程）CPU 核心上进行**跨线程 TLB 侧信道**攻击的概念验证教学示例。两个进程运行在同一个物理核心的两个硬件线程上；攻击者仅通过自身的计时测量，就能恢复受害者持有的密钥。 这是 [TLBleed] 和 [PortSmash] (CVE-2018-5407) 系列漏洞背后的攻击类别：SMT 兄弟线程共享微架构资源，因此一个线程的内存行为会泄漏给另一个线程。 ## 工作原理 在 Intel 核心上，两个 SMT 线程**共享 L2 TLB (STLB)**。这个共享的有限资源就是泄漏点。 - **受害者**（子进程）每个时间槽处理一位密钥： - bit 为 `1`：遍历一个大缓冲区，触及数千个不同的页面，从而淹没共享的 STLB； - bit 为 `0`：仅触及单个页面（TLB 占用可忽略不计）。 - **攻击者**（父进程）保留一小部分驻留页面，并在每个时间槽测量访问它们所需的时间（PRIME+PROBE）。当受害者的 `1` 位操作驱逐了攻击者的 TLB 条目时，攻击者的探测将引发页表遍历，导致运行速度大大降低。 慢速时间槽 → 猜测为 `1`，快速时间槽 → 猜测为 `0`。攻击者使用无监督的一维 k-means 算法对其延迟进行分类，因此它永远不会直接查看密钥。 ``` CPU 0 (victim) ─┐ ┌─ touches 4096 pages if bit==1 ├─ shared L2 TLB (STLB) ──┤ CPU 1 (attacker)┘ └─ probe of 96 pages slows down ``` ## 两种模式 同一个 TLB 信道有两种驱动方式： ### `synced`（默认） 受害者和攻击者通过 `mmap(MAP_SHARED)` 内存中的双方反向感应**屏障** 每次处理一位密钥时进行同步，并且攻击者使用 `slot_done` 标志发出时间槽结束信号。每一位都会产生恰好一次干净的 64 次中位数测量。这**并不符合实际**（真正的攻击者无法让受害者等待），但它隔离了原始信道，并最清晰地展示了其机制。 ``` cargo run --release # 64-bit key cargo run --release -- 128 # any length, up to 512 ``` 在 12 代 Intel Core (i5-12500H) 上的典型输出： ``` recovered 64/64 bits (100.0% accuracy) latency threshold : 739 cycles avg latency, secret 0 : 259 cycles avg latency, secret 1 : 1220 cycles ``` `0` 和 `1` 时间槽之间约 5 倍的延迟差距就是侧信道。 ### `free-run`（`--free-run`） 这才是现实世界中真正的跨线程攻击的样子：**没有屏障，没有共享内存，没有信号传递**。受害者完全根据自己的时钟运行，每位密钥花费固定数量的 TSC 周期，并且从不与任何进程协调。攻击者在紧凑的循环中进行探测，为每次测量打上时间戳并记录为连续的轨迹，然后从轨迹中*离线*恢复密钥： 1. **阈值过滤**：使用相同的 k-means 分割将所有延迟划分为高/低。 2. **相位恢复** —— 攻击者不知道消息是何时开始的。受害者在前面加上一个已知的**前导码**（8 个 1，然后 4 个 0）；攻击者在轨迹上滑动该模板（匹配滤波器），并锁定最佳匹配的偏移量。 3. **滑动窗口多数投票** —— 从恢复的相位开始，每个位窗口通过对其内部包含的数百个样本进行多数投票来解码。 这里假设位*速率*是已知的（真正的攻击者会事先对目标算法进行性能分析）；这里只需恢复*相位*。 ``` cargo run --release -- --free-run 64 ``` ``` recovered 64/64 bits (100.0% accuracy) captured samples : 231435 samples per bit : 485.8 latency threshold : 394 cycles recovered phase : 13650000 cycles into trace preamble lock quality : 0.86 (1.0 = perfect) ``` `preamble lock quality` 接近 1.0 表示相位已被干净利落地找到；较低的值表示解码可能未对齐。这种模式本质上比 `synced` 更嘈杂，并且对后台负载和频率缩放更加敏感。 ## 环境要求与注意事项 - Linux，x86-64，**启用 SMT/超线程**。程序会从 `/sys/.../topology/thread_siblings_list` 自动检测兄弟线程对；如果不存在，它会发出警告，且信道会很弱。 - 在混合架构 CPU 上，它会自动选择一对支持超线程的 **P-core** 组合。 - 结果本质上存在噪声。CPU 频率缩放、`cpufreq` 调度策略 以及后台负载都会降低准确性。将调度策略固定为 `performance` 会有所帮助。 - 现实中的攻击（例如 TLBleed 恢复 EdDSA 密钥）还需要针对细粒度 STLB *集合*的定向攻击和训练有素的分类器；此演示故意使用了一种极其显眼的、针对整个 TLB 的破坏性信道，以使该机制直观可见。 ## 文件说明 | 文件 | 作用 | |------|------| | `src/main.rs` | 参数解析、CPU 绑定、fork 以及模式调度 | | `src/probe.rs` | TLB 信道原语：`ProbeSet` 和 `VictimBuf` | | `src/synced.rs` | 屏障同步的受害者 + 攻击者及恢复逻辑 | | `src/freerun.rs` | 自由运行的受害者、轨迹捕获及离线解码 | | `src/classify.rs` | k-means 阈值过滤及结果评分 | | `src/shared.rs` | 共享内存屏障及每槽样本（仅限 synced 模式） | | `src/timer.rs` | 带有内存屏障的 `rdtsc`/`rdtscp` 周期计时 | | `src/topology.rs` | SMT 兄弟线程检测及亲和性绑定 | ## 缓解措施 在不受信任的混合租户环境中禁用 SMT，使用核心调度 / cgroup 隔离，确保互不信任的工作负载永远不会共享同一个核心，并编写具有独立于密钥的内存访问模式的恒定时间加密算法。 这种共享资源泄漏正是 **OpenBSD 默认禁用 SMT** 的主要原因（[hw.smt=0]，Mark Kettenis，2018 年 6 月）。提交信息清楚地说明了此演示所利用的信道： 此代码仅用于学习和防御性研究。

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