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北京邮电大学网络空间安全学院邱朋飞副教授团队成果荣获2024亚洲硬件安全与可信会议（AsianHOST）最佳论文奖

文摘 2025-01-19 17:01 上海

摘要

2024年亚洲硬件安全与可信（AsianHOST）会议于12月16-18日在日本神户召开，该会议是硬件安全领域重要会议，北京邮电大学网络空间安全学院邱朋飞副教授团队研究成果荣获该会议的最佳论文奖。论文题目是“AutoGuard: A Secure Implementation of the Conditional Branch Instruction”，主要内容是设计了一种安全的分支指令架构，可以有效抵抗基于预测执行机制的侧信道攻击。该研究工作是学院2024级博士生蓝泽如在导师邱朋飞副教授、王春露教授等联合指导下完成。

论文简介

【研究背景】

侧信道是处理器的主要安全威胁之一，它利用计算机无意泄漏的时间、功耗和电磁辐射等信息作为获取计算机中重要秘密数据的基础。分支目标缓冲区（BTB）和分支历史缓冲区（BHB）侧信道是最近发现的侧信道漏洞，可以利用它们实现许多高威胁硬件漏洞攻击，如 Spectre 和 BranchScope。然而，虽然针对基于BTB和BHB的侧信道攻击有许多有效的防御方法，但每种方法之间的相对隔离严重影响了处理器的性能，同时也增加了资源消耗。

【主要内容】

论文提出了一种安全的条件分支架构（AutoGuard），它是一种针对基于 BTB 和 BHB 的侧信道攻击（SCA）的新型缓解机制。同时，AutoGuard 还能有效缓解 Spectre 攻击（包括变体1和变体2）。论文设计了一个安全小工具，可以自动识别和修改条件分支，以提高其安全性。论文在多个处理器和 Linux 内核上成功部署了 AutoGuard，通过实验评估，发现与其他现有的基于BTB和BHB的侧信道攻击保护方法相比，AutoGuard消耗的硬件资源更少，对性能的影响也更小。

【方法的贡献】

论文提出了一种基于软件的条件分支指令安全实现方法（AutoGuard），可以有效缓解基于BTB和BHB的侧信道攻击，同时保证最大的性能提升和最小的计算消耗。同时，AutoGuard 还能有效缓解Spectre攻击（包括变体1和变体2）。论文在现有处理器上实现了 AutoGuard，并将安全实现的基本单分支结构扩展为多分支结构。同时成功地在LLVM中部署了 AutoGuard，并实现了一个安全小工具，可自动识别和修改条件分支，以提高其安全性。

【方法效果】

安全效果：论文在多款Intel和AMD处理器上成功部署并测试了AutoGuard的安全性。实验结果表示AutoGuard 可以在Intel和 AMD 处理器上有效缓解基于BTB和BHB的侧信道攻击（包括Spectre攻击变种1和变种2），验证了AutoGuard的安全性。

性能效果：论文通过多项性能测试来评估AutoGuard的性能指标。实验结果表示，AutoGuard比基于lfence的方法节省了34%的执行时间。此外，在多种情况下，AutoGuard的性能更接近 Retpoline方法（是缓解Spectre变体2攻击的最有效方法），但是论文的方法不仅能缓解 Spectre变体2攻击，还能缓解基于BTB和BHB的侧信道攻击和Spectre变体1攻击。

【研究意义】

近年来，基于 BTB（分支目标缓冲区）和 BHB（分支历史缓冲区）的侧信道攻击引起了广泛关注，这些攻击利用处理器分支预测机制的漏洞窃取敏感信息，对系统安全构成严重威胁。然而，现有缓解方法通常在性能与安全之间难以平衡，且可能引入新的攻击风险。论文的研究成果不仅为现有处理器的安全防护提供了有效的工具，还为未来处理器设计提供了重要参考。

来源：北京邮电大学网络空间安全学院

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