一、题目
幽灵攻击于发现，并于1月公开披露，它利用关键漏洞进行攻击，存在于许多现代处理器中，包括Intel、AMD和ARM处理器。漏洞允许程序突破进程间和进程内的隔离，以便恶意程序可以读取来自无法访问区域的数据。硬件保护不允许这样的访问机制（用于进程间的隔离）或软件保护机制（用于进程内的隔离），但CPU设计中存在漏洞，可能会破坏保护。因为缺陷存在于硬件中，很难从根本上解决问题，除非更换CPU。幽灵和熔断漏洞代表了CPU设计中的一种特殊类型的漏洞，它们还为安全教育提供了宝贵的一课。
本实验的学习目标是让学生获得幽灵攻击的第一手经验。攻击本身非常复杂，因此我们将其分解为几个小步骤，每个步骤都是易于理解和执行。一旦学生理解了每一步，就不难理解了把所有的东西放在一起进行实际的攻击。本实验涵盖了以下内容:
•幽灵攻击
•侧通道攻击
•CPU缓存
•CPU微体系结构内的无序执行和分支预测
二、过程
一、Task 1: Reading from Cache versus from Memory
缓存内存用于以更快的速度向高速处理器提供数据。与主存相比，缓存内存非常快。让我们看看时间差。在代码CacheTime.c中，我们有一个大小为104096的数组。我们首先访问它的两个元素，数组[34096]和数组[74096]。因此，包含这两个元素的页面将被缓存。然后，我们从数组[04096]读取元素到数组[94096]，并测量3在内存读取中所花费的时间。需要注意的是，缓存是在缓存块级别完成的，而不是在字节级别。一个典型的高速缓存块大小为64字节。我们使用数组[k4096]，因此程序中使用的两个元素不属于同一个缓存块。
使用gcc -march=native CacheTime.c编译
实验结果表明，数组[34096]和数组[74096]的访问速度是否比其他元素更快。
二、Task 2: Using Cache as a Side Channel
该任务的目的是使用侧通道来提取受害者函数所使用的秘密值。假设有一个受害者函数，它使用一个秘密值作为索引来从数组中加载一些值。还假设秘密值不能从外部访问。我们的目标是使用侧边通道来获得这个秘密的数值。
1.从缓存内存中刷新整个阵列，以确保该阵列没有被缓存。
2.调用受害者函数，该函数根据秘密的值访问其中一个数组元素。此操作将导致高速缓存相应的数组元素。
3.重新加载整个数组，并测量重新加载每个元素所需的时间。如果一个特定元素的加载时间快，很可能元素已经在缓存中。该元素必须是受害者函数所访问的元素。因此，我们可以弄清楚秘密值是什么。
程序设定了一个阈值，当时间小于这个阈值，说明被CPU缓存了，这时这个值肯定是调用victim函数的那个值，可以把该值读取出来。
使用gcc -march=native -o FlushReload FlushReload.c编译，得到the secret = 94
三、Task 3: Out-of-Order Execution and Branch Prediction
该任务的目的是了解cpu中的无序执行情况。在这个任务中，我们使用一个实验来观察无序执行所造成的影响。
对于cpu执行投机性执行，它们应该能够预测如果条件的结果。cpu记录过去所采取的分支，然后使用这些过去的结果来预测在投机执行中应该采取哪个分支。因此，如果我们希望在投机执行中使用一个特定的分支，我们应该训练CPU，这样我们所选择的分支就可以成为预测结果。训练在从第➂行开始的循环中完成。在循环中，我们用一个小的参数（从0到9）调用受害者()。这些值小于值大小，因此始终取行➀中的if条件的真分支。这是训练阶段，它本质上训练CPU期望如果条件成为真。
一旦CPU被训练，我们将一个更大的值（97）传递给受害者()函数(Line➄)。这个值大于大小，因此受害者()内部的if条件的假分支将在实际执行中获取，而不是真分支。但是，我们已经从内存中刷新了变量大小，因此从内存中获取其值可能需要一段时间。这是CPU将做出预测，并开始投机执行的时候。
用gcc -march=native -o SpectreExperiment SpectreExperiment.c
编译，得到the secret = 97
注释掉语句_mm_clflush(&size);重新执行，发现无法找出秘密值；
不注释语句_mm_clflush(&size);victim(i)改成victim(i+20)，同样无法找出秘密值，因为CPU训练成不执行分支了。
四、Task 4: The Spectre Attack
当在浏览器中打开来自不同服务器的网页时，它们通常会在相同的过程中打开。在浏览器内实现的沙箱将为这些页面提供一个孤立的环境，因此一个页面将无法访问另一个页面的数据。大多数软件保护都依赖于条件检查来决定是否应该授予访问权限。通过Spectre攻击，我们可以让cpu执行（无序地）一个受保护的代码分支，即使条件检查失败，也基本上击败了访问检查。
在这种设置中，有两种类型的区域：限制区域和非限制区域。该限制是通过在下面描述的沙箱函数中实现的如果条件来实现的。沙箱函数仅当x位于缓冲区的下界之间，则返回用户提供的x值的缓冲区[x]值[x]。因此，此沙箱函数永远不会向用户返回限制区域内的任何内容。
用gcc -march=native -o SpectreAttack SpectreAttack.c
编译，得到the secret。该程序运行第一次失败后面成功。
五、Task 5: Improve the Attack Accuracy
我们基本上使用了一种统计技术。这个想法是创建一个大小为256的分数数组，每个可能的秘密值都有一个元素。然后，我们会多次进行攻击。每次，如果我们的攻击程序说k是秘密（这个结果可能是假的），我们加k。在多次攻击后，我们使用得分最高的值k作为对秘密的最终估计。这将产生一个比基于一次运行更可靠的估计。、
用gcc -march=native -o SpectreAttackImproved SpectreAttackImproved.c编译，运行后失败了很多次，尝试多次后得到一次成功拿到secret值。
将usleep（10）改成usleep（100），发现成功率提高很多基本每次都成功。
六、Task 6: Steal the Entire Secret String
使用幽灵攻击打印出整个字符串。
用gcc -march=native -o EntireSecret EntireSecret.c编译，
当usleep(10)，得到结果如下，输出部分字符串：
当usleep(30)，得到结果如下，输出全部字符串：
