SLAM攻击原理及条件分析

侧信道 TLB
硬件攻击
发布日期:   2026-01-30
文章字数:   3.3k
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一、攻击核心背景与原理基础

1. 关键技术

  • Linear Address Masking（LAM）/Upper Address Ignore（UAI）：LAM是英特尔推出的硬件特性，可在解引用64位指针前掩码部分高位（LAM48掩码62:48位，LAM57掩码62:57位）；UAI是AMD类似特性，直接忽略虚拟地址最高7位。二者初衷是让软件利用未翻译的地址高位存储元数据，却被SLAM攻击滥用为绕过地址规范性检查的工具。
  • 未掩码Spectre Gadget：代码形式以指针双重解引用（如 **secret）为主，源于内核中广泛的指针遍历逻辑，将高熵机密直接编码为指针地址。与传统掩码Gadget（将机密转为数组索引，低熵）不同，未掩码Gadget此前因地址非规范、无法填充缓存被认为不可利用，却在SLAM攻击中成为核心载体。
ssize_t kernfs_fop_read_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *iter) {
      struct file *f = iocb->ki_filp;  // 攻击者控制iocb，注入恶意指针
      struct seq_file *sf = f->private_data;  // 解引用伪指针，触发TLB转换
      // ...
  }

  • TLB Evict+Reload隐通道：放弃传统缓存隐通道，利用地址转换阶段TLB（翻译后备缓冲器）状态变化传递信号。地址转换先于SMAP（监管模式访问保护）检查，即便内核态解引用用户指针触发异常，TLB仍会记录转换痕迹，攻击者通过驱逐并重新加载TLB条目，测量访问延迟获取机密。

  • 非规范地址：x86-64架构中，规范地址要求指针高位（4级分页为63:48位，5级为63:57位）与最高有效翻译位（4级为47位，5级为56位）一致，否则为非规范地址。SLAM攻击目标（如 /etc/shadow中ASCII密码哈希）编码为指针时，因ASCII字节最高位为0，必然是非规范地址。

2. 攻击核心原理

SLAM（Spectre based on LAM）攻击本质是利用Intel LAM/AMD UAI硬件特性或AMD TENA漏洞，突破传统防护限制，通过非规范地址转换的TLB隐通道，实现对未掩码Spectre Gadget的利用，最终泄露内核内存中的高熵机密（如root密码哈希）。其核心逻辑是：将ASCII机密字符串编码为非规范伪指针，诱导内核投机执行未掩码Gadget完成地址转换，再通过TLB隐通道捕捉转换痕迹，结合滑动与即时重映射技术逐字节泄露机密。

二、SLAM攻击三阶段核心流程

SLAM攻击围绕解决三大核心挑战（C1：扩展至用户指针、C2：扩展至非规范指针、C3：实现机密泄露）展开，分为三个关键阶段：

阶段一：构建TLB Evict+Reload隐通道（解决C1）

1. 挑战本质

传统缓存隐通道无法处理用户指针：内核态下解引用用户指针会触发SMAP保护，无法填充缓存行传递信号。而地址转换发生在SMAP检查之前，MMU需先完成地址转换找到PTE（页表项），才能检查特权位判断是否为用户内存，此过程会留下TLB状态痕迹。

2. 技术实现步骤

  • 方案对比与选择：
    • PTE探测：通过Prime+Probe等缓存攻击，探测根页表中被访问的缓存行，推断用户指针高位比特。但需较大投机窗口、信号噪声高、多层页表信号匹配难，最终被放弃。
    • TLB探测：依赖TLB Prime+Probe或Evict+Time攻击，获取Gadget访问的TLB集及对应指针比特。需较短窗口，但仅支持存在的用户地址且噪声更高（TLB集页粒度碰撞更频繁）。
    • TLB Evict+Reload（最终方案）：
      1. 驱逐TLB条目：攻击者在用户态通过TLB驱逐集，清空目标用户指针对应的L1 TLB条目，保留L2 TLB有效条目。
      2. 触发投机执行：通过BHI（分支历史注入）劫持内核间接分支，诱使其投机执行未掩码Gadget（**secret），解引用用户指针触发地址转换，TLB记录转换状态（L2 TLB条目重新加载到L1 TLB）。
      3. 测量延迟：攻击者重新访问目标指针，测量TLB访问延迟。延迟低表示L1 TLB命中（Gadget执行转换，ASCII字节猜测正确），延迟高则猜测错误。
  • 关键调优：
    • 缓存层级选择：L2缓存为最优选择。L1缓存与TLB并行查找会掩盖信号，更高层级缓存（如LLC、DRAM）会因微架构复杂性增加延迟抖动，L2缓存可平衡信号清晰度与抖动。
    • TLB层级选择：优先利用L1 TLB miss与L2 TLB hit的信号。仅驱逐L1 TLB条目，保留L2 TLB条目，避免L2 TLB miss带来的页表遍历抖动，且短延迟可缩短投机窗口，帮助绕过部分防护。
    • 页面大小选择：采用4KB页面。内核常用2MB页面存储自身文本和数据、1GB页面用于物理内存直接映射，4KB页面在TLB中占用独立分区，受内核干扰最小，可最大化信号纯度。

阶段二：绕过地址规范性检查（解决C2）

1. 挑战本质

SLAM攻击目标（ASCII字符串）编码为指针时必然是非规范地址，传统模式下直接访问会触发异常，无法完成地址转换，TLB隐通道无痕迹可捕捉。需通过硬件特性或漏洞，让非规范地址通过规范性检查，完成地址转换。

2. 分平台技术实现

  • Intel平台（LAM特性）：

    • LAM掩码机制：LAM48（4级分页）掩码62:48位，强制这些位复制自47位；LAM57（5级分页）掩码62:57位，复制自56位。仅保留bit 63作为特殊检查位，要求其与最高有效翻译位相等。
    • 绕过原理：LAM自动“修正”指针高位，使非规范指针变为规范形式。SLAM攻击目标为ASCII字符串，伪指针bit 47（最高有效翻译位）与bit 63均为0，天然满足LAM检查要求，非规范指针可通过转换。
    • 关键特性：LAM对用户指针的掩码生效且忽略特权级别，内核解引用用户传入的非规范指针时，LAM仍执行掩码操作，为跨用户态-内核态利用提供可能。

  • AMD新一代平台（UAI特性）：

    • UAI机制：直接忽略虚拟地址最高7位，仅使用低57位进行地址转换。
    • 绕过原理：4级分页下，UAI忽略63:57位，但56:48位仍需满足规范要求，无法支持通用ASCII字符串；5级分页下，56:48位纳入地址转换（索引5级页表），非规范ASCII指针可通过转换，适配TLB隐通道。

  • AMD老旧平台（TENA漏洞）：

    • TENA漏洞特性：部分老旧AMD CPU（如Ryzen 7 2700X）中，地址转换与规范性检查并行执行。CPU用指针低48位查询TLB和L1缓存，同时用高位检查规范性，非规范地址可触发短暂TLB状态更新。
    • 利用原理：TLB Evict+Reload隐通道需TLB命中，实验证实L2 TLB命中即可触发短暂非规范访问。攻击者驱逐L1 TLB条目，保留L2 TLB条目，诱导内核投机执行Gadget，非规范地址通过低48位完成TLB转换，留下可探测痕迹。

阶段三：滑动+即时重映射实现机密泄露（解决C3）

1. 挑战本质

即使完成非规范地址转换，伪指针仍有31位熵（ASCII字节高位为0，从36位降至31位），对应8TB地址空间，无法直接探测。需通过技术手段降低熵值，实现逐字节泄露。

2. 技术实现步骤

  • 滑动技术（熵减核心）：

    • 原理：从已知ASCII字符串片段（如 /etc/shadow中 deamon后缀）开始，逐字节平移伪指针，每次仅聚焦1个未知字节。例如反向滑动时，伪指针“向左滑”1字节，新伪指针仅包含1个未知字节+所有已知字节，熵从31位降至7位（ASCII字节仅需探测0-127）。
    • 优势：反向滑动的伪指针地址连续（正向滑动地址分散），后续重映射更高效，为SLAM默认选择。

  • 即时重映射（高效探测）：

    • 问题：伪指针地址范围达8TB，无法一次性映射所有可能地址，一次性映射会产生大量页错误且内存占用过高。
    • 解决方案：动态调整用户态重加载缓冲区地址。首次映射覆盖128个页面（对应7位熵的所有可能），每次滑动后通过 mremap系统调用，将缓冲区快速调整到当前需探测的128个页面范围。反向滑动时，缓冲区为连续地址块，仅需1次系统调用即可完成重映射，避免页错误与内存浪费。

  • 逐字节泄露流程：

    1. 攻击者从已知字符串片段（如 deamon）出发，反向滑动伪指针，确定当前需探测的未知字节对应的128个可能地址。
    2. 通过 mremap即时映射这128个页面作为重加载缓冲区。
    3. 驱逐目标伪指针对应的L1 TLB条目，触发内核投机执行未掩码Gadget。
    4. 重新访问128个缓冲区地址，测量TLB延迟，延迟最低的地址对应正确ASCII字节。
    5. 重复上述步骤，逐字节拼接出完整机密（如root密码哈希）。

三、端到端完整攻击流程（以泄露Linux内核root密码哈希为例）

在完成三阶段核心技术准备后，SLAM攻击通过四个步骤实现端到端机密泄露：

1. 步骤一：突破KASLR（内核地址空间布局随机化）

  • 利用预取侧信道构造预言机，基于预取指令的翻译依赖时序（如文献[36]方法），探测内核物理内存直接映射区的随机基址。通过判断地址是否为有效内核地址，确定内核数据（如 /etc/shadow）的实际存储范围，为后续定位机密奠定基础。

2. 步骤二：BHI分支劫持与Gadget触发

  • BHB碰撞寻找：基于BHI攻击策略[11]，通过 brute-force 方式反复生成随机分支历史，污染分支历史缓冲区（BHB），诱导内核系统调用调度器（目标间接分支）错误预测，跳转到目标未掩码Gadget。
  • 扩大投机窗口：构建L2缓存驱逐集，清空L2缓存中与攻击者发起系统调用对应的系统调用表条目。当内核执行该系统调用时，需从内存重新加载系统调用表条目，延长投机执行窗口，确保未掩码Gadget完整执行地址转换。
  • 碰撞验证（2步预言机）：
    • Step 1（快速路径）：将attacker构造的secret指针传入系统调用，若Gadget被触发，其读取机密的操作会访问重加载缓冲区，产生可测量的TLB信号。但可能存在误报（其他指针追逐路径触发信号）。
    • Step 2（慢速路径）：将上一步构建的指针替换为已知内核数据指针（如包含特定magic_num的用户页地址），若Gadget被触发，会解引用该指针产生TLB信号，验证碰撞有效性，排除误报。

3. 步骤三：定位 /etc/shadow文件

  • 执行 passwd命令，确保 /etc/shadow文件驻留物理内存（避免页面交换导致机密不在内存中）。
  • 利用已构建的BHI信息泄露原语，通过TLB隐通道扫描内核物理内存直接映射区，查找以“root:$”（/etc/shadow中root条目前缀）开头的4KB页面，确定密码哈希所在的内存地址。

4. 步骤四：逐字节泄露root密码哈希

  • 起始点选择：“root:$”前缀不适合反向滑动起始（需从已知后缀反向泄露），选择 /etc/shadow中第二个用户条目“deamon”作为已知后缀。
  • 泄露执行：从“deamon”开始反向滑动伪指针，每次通过即时重映射调整128页缓冲区，结合TLB Evict+Reload探测当前未知字节。例如探测到某地址TLB延迟最低，确定该字节为“$”，逐步拼接出root密码哈希的完整字节序列（如“$y$j9T$…”）。
  • 错误处理：利用TLB信号的冗余性（仅7位用于数据，其余位为已知签名），若探测结果与已知签名不匹配，请求重新探测，确保泄露准确性。实验显示，该过程在Intel i9-13900K上（软件模拟LAM），最快可在0.5分钟内泄露完整root密码哈希。

四：攻击条件总结

  1. 绕过指针规范检测
  2. 内核态地址转换结果直接写入TLB（可考虑区分内核地址与用户地址）
  3. TLB共享，可进行时序观测（考虑隔离）
文章作者: Yssx
文章链接: http://Yssx-g.github.io/2026/01/30/slam-gong-ji-yuan-li-ji-tiao-jian-fen-xi/
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