Spectre（セキュリティ脆弱性）

スペクター

この脆弱性のために作成されたロゴ。枝を持った幽霊が描かれている。
CVE識別子	CVE- 2017-5753 (Spectre-V1)、CVE- 2017-5715 (Spectre-V2)
発見日	2017年12月 （2017-12）
影響を受けるハードウェア	分岐予測を使用する2019年以前のすべてのマイクロプロセッサ
Webサイト	公式サイト

Spectreは、サイドチャネル攻撃を伴う投機的実行CPU脆弱性の一種で、2017年に初めて発見されました。^{[ 1 ]}分岐予測やその他の形式の投機的実行を実行できる最新のマイクロプロセッサに影響を与える複数のバリアントが存在します。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}ほとんどのプロセッサでは、分岐予測の誤りによって発生する投機的実行により、攻撃者にプライベートデータを漏洩させる可能性のある観測可能な副作用が生じる場合があります。たとえば、このような投機的実行によって実行されるメモリアクセスのパターンがプライベートデータに依存する場合、結果として得られるデータキャッシュの状態は、攻撃者がタイミング攻撃を使用してプライベートデータに関する情報を抽出できるサイドチャネルを構成します。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

インストールされたアプリケーションに関連する脆弱性に加えて、 JavaScript に使用されるJIT エンジンにも脆弱性があることが判明しました。Web サイトは、別の Web サイトのためにブラウザに保存されているデータ、またはブラウザのメモリ自体を読み取ることができます。^{[ 8 ]}

Spectreに関連する2つの共通脆弱性識別子（CVE）レコード、 CVE - 2017-5753（境界チェックバイパス、Spectre-V1、Spectre 1.0）とCVE- 2017-5715（分岐ターゲットインジェクション、Spectre-V2）が発行されました。^{[ 9 ]} 

2018 年初頭、インテルは、 Spectre および関連するMeltdown の脆弱性 (具体的には Spectre バリアント 2 と Meltdown だが Spectre バリアント 1 は除く)から保護するためにCPU を再設計すると発表した。 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} 2018 年 10 月 8 日、インテルは、最新のプロセッサに Spectre および Meltdown の脆弱性に関するハードウェアおよびファームウェアの緩和策を追加したと報じられた。^{[ 14 ]}すでに脆弱なデバイスについては、パフォーマンスを犠牲にして問題に対処するソフトウェア パッチがリリースされた。緩和策は、Linux カーネル、Windows オペレーティングシステム、および一部の脆弱なユーザー モード アプリケーションに適用された。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

NECの津野雄康氏らは、 2002年と2003年にそれぞれMISTYとDESの対称鍵暗号を攻撃する方法を示した。2005年には、イリノイ大学シカゴ校のダニエル・バーンスタイン氏がキャッシュタイミング攻撃によるOpenSSL AES鍵の抽出を報告し、コリン・パーシバル氏はIntelプロセッサのキャッシュを使用したOpenSSL RSA鍵への攻撃を成功させた。2013年には、アデレード大学のユヴァル・ヤロム氏とカトリーナ・ファルクナー氏が、データへのアクセス時間を測定することで、悪意のあるアプリケーションが情報がキャッシュから読み取られたかどうかを判断できることを示した。キャッシュから読み取られた場合、アクセス時間は非常に短くなるため、読み取られたデータには暗号化アルゴリズムの秘密鍵が含まれている可能性がある。この手法は、GnuPG、AES、およびその他の暗号化実装への攻撃に成功した。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} 2017 年 1 月に、アンダース・フォグはルール大学ボーフムで、特に複数のプロセッサ コアで使用されるパイプラインを備えたプロセッサ上で、隠蔽されたチャネルを自動的に見つけることについてのプレゼンテーションを行った。 ^{[ 25 ]}

Spectre 自体は、Google のProject Zeroの Jann HornとPaul KocherがDaniel Genkin、Mike Hamburg、Moritz Lipp、Yuval Yaromと共同で独自に発見しました。 ^{[ 5 ] [ 26 ]}これは、影響を受けるハードウェアベンダーが 2017 年 6 月 1 日に既に問題を認識していた後、2018 年 1 月 3 日に別の脆弱性 Meltdown と併せて公開されました。^{[ 27 ]}この脆弱性は、根本原因が投機的実行に基づいているため Spectre と呼ばれています。修正が容易ではないため、しばらくの間私たちを悩ませ続けるでしょう。^{[ 1 ]}

2018年1月28日、インテルがメルトダウンとスペクターのセキュリティ脆弱性に関する情報を、米国政府に欠陥を通知する前に中国のテクノロジー企業と共有していたことが報じられた。^{[ 28 ]}

2018年1月29日、マイクロソフトは、IntelがSpectre Variant 2攻撃対策として以前にリリースした、問題のあるIntelマイクロコード修正を無効にするWindowsアップデートをリリースしたと報じられた。この修正は、場合によっては再起動、システムの不安定性、データの損失または破損を引き起こしていた。^{[ 29 ] [ 30 ]} ComputerWorldのウッディ・レオンハルトは、マイクロソフトの新しいパッチのインストールについて懸念を表明した。^{[ 31 ]}

2018 年 1 月に Spectre と Meltdown が公表されて以来、投機的実行に関連する脆弱性について多くの研究が行われてきました。2018 年 5 月 3 日、ドイツのコンピュータ雑誌c'tによってSpectre-NGと暫定的に名付けられた 8 つの Spectre クラスの脆弱性が新たに報告され、Intel プロセッサ、そしておそらく AMD および ARM プロセッサにも影響があるとされています。Intel は、これらの脆弱性を軽減するための新しいパッチを準備していると報告しました。^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}影響を受けるのは、 Nehalem (2010 年)以降のすべてのCore i シリーズプロセッサとXeon 派生製品、および 2013 年以降のAtomベースのプロセッサです。 ^{[ 36 ]} Intel は、マイクロコードアップデートのリリースを2018 年 7 月 10 日に延期しました。 ^{[ 37 ] [ 36 ]}

2018 年 5 月 21 日、インテルは Spectre-NG クラスのサイドチャネル脆弱性の最初の 2 つ、CVE- 2018-3640 (不正なシステム レジスタ読み取り、バリアント 3a) とCVE- 2018-3639 (投機的ストア バイパス、バリアント 4)に関する情報を公開しました^{[ 38 ] [ 39 ]}。これらはそれぞれ Intel SA-00115 および HP PSR-2018-0074 とも呼ばれています。

Amazon Germany、Cyber​​us Technology、SYSGO、Colin Percival ( FreeBSD )によると、Intel は 2018 年 6 月 13 日に、Spectre-NG の第 3 の亜種CVE- 2018-3665 ( Lazy FP State Restore、Intel SA-00145) の詳細を明らかにした。 ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}これは、 Lazy FPU state leak (略称 "LazyFP") および "Spectre-NG 3"としても知られている。 ^{[ 42 ]}

2018 年 7 月 10 日、インテルは、境界外への書き込みと読み取りの両方が可能な「境界チェックバイパスストア」(BCBS)、または「Spectre  1.1」( CVE- 2018-3693 ) と呼ばれる別の Spectre-NG クラスの脆弱性の詳細を明らかにしました。 ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}また、「Spectre 1.2」という別の亜種についても言及されました。 ^{[ 47 ]} 

2018 年 7 月下旬、ザールラント大学とカリフォルニア大学の研究者らは、戻りスタック バッファ(RSB)を使用した新しいタイプのコード実行脆弱性であるret spec (別名「Spectre v5」) とSpectreRSB を明らかにした。^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

2018年7月末、グラーツ工科大学の研究者らは、Spectre v1に似た新しいタイプのリモート攻撃である「NetSpectre」を発表した。ただし、NetSpectreは攻撃者が制御するコードをターゲットデバイス上で実行する必要がない。^{[ 51 ] [ 52 ]}

2018年10月8日、インテルは最新のプロセッサにSpectreとMeltdownの脆弱性に関するハードウェアとファームウェアの緩和策を追加したと報じられた。^{[ 14 ]}

2018年11月、攻撃の5つの新しい亜種が明らかになった。研究者らは、CPUパターン履歴テーブル、分岐ターゲットバッファ、リターンスタックバッファ、および分岐履歴テーブルを悪用するコードを使用して、CPU保護メカニズムを侵害しようと試みた。^{[ 53 ]}

2019年8月には、関連する投機的実行CPUの脆弱性であるSpectre SWAPGS（CVE- 2019-1125）が報告された。^{[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}

2020年7月、ドイツのカイザースラウテルン工科大学の研究者チームが「Spectre-STC」（シングルスレッド競合）と呼ばれる新しいSpectreの変種を発表しました。この変種は共有リソースのポート競合を利用し、シングルスレッドコアでも適用できます。^{[ 57 ]}

2021年4月下旬、マイクロオペレーションキャッシュの使用によりSpectreの脆弱性を軽減するように設計されたセキュリティシステムを突破する関連する脆弱性が発見されました。この脆弱性は、IntelのSkylake以降のプロセッサとAMDのZenベースのプロセッサに影響を与えることが知られています。^{[ 58 ]}

2023年2月、ノースカロライナ州立大学の研究チームは、「Spectre-HD」と呼ばれる新しいコード実行の脆弱性を発見しました。これは「Spectre SRV」または「Spectre v6」としても知られています。この脆弱性は、選択的リプレイ（SRV）技術を使用した投機的ベクトル化を利用しており、「高次元投機からの漏洩」を示しています。^{[ 59 ] [ 60 ]}

^{Spectre ホワイトペーパー[ 2 ]}は、修正が容易な単一の脆弱性ではなく、潜在的な脆弱性のクラス全体^{[ 61 ]}について説明しています。これらはすべて、投機的実行の副作用を悪用することに基づいています。投機的実行は、メモリ遅延を隠蔽し、現代のマイクロプロセッサの実行速度を向上させる一般的な手段です。特に、Spectre は、投機的実行の特殊なケースである分岐予測に焦点を当てています。同時に公開された関連する Meltdown 脆弱性とは異なり、Spectre は単一プロセッサのメモリ管理および保護システムの特定の機能に依存するのではなく、より一般的なアイデアに基づいています。

このホワイトペーパーの出発点は、投機的実行を行う最新のマイクロプロセッサの分岐予測機構に適用されるサイドチャネルタイミング攻撃^{[ 62 ]}です。プロセッサデータブックに記載されているアーキテクチャレベルでは、誤予測の結果はすべて破棄されるように指定されています。しかし、投機的実行は、ロードされたキャッシュラインなどの副作用を残す可能性があります。これらは、後でコンピューティング環境のいわゆる非機能的な側面に影響を与える可能性があります。メモリアクセスタイミングを含むがこれに限定されないこのような副作用が悪意のあるプログラムに見え、被害者プロセスが保持する機密データに依存するように設計できる場合、これらの副作用によってそのようなデータが識別可能になる可能性があります。これは、正式なアーキテクチャレベルのセキュリティ対策が設計どおりに機能している場合でも発生する可能性があります。この場合、コード実行に対する下位のマイクロアーキテクチャレベルの最適化により、通常のプログラム実行の正しさに不可欠ではない情報が漏洩する可能性があります。

Spectreに関する論文では、この攻撃を4つの重要なステップで説明している。

1. まず、この研究は、現代のプロセッサにおける分岐予測ロジックが、悪意のあるプログラムの内部動作に基づいて、確実に分岐を成功させるか失敗するかを判断するように訓練できることを示している。
2. そして、キャッシュヒットとミスの間のその後の差異を確実にタイミング測定できることを示し、本来は単純な機能しないタイミングの差異であるはずのものが、実際には無関係なプロセスの内部動作から情報を抽出する秘密のチャネルに転用できることを示している。
3. 第三に、この論文では、リターン指向プログラミングの脆弱性やその他の原理を、簡単なサンプルプログラムとサンドボックスブラウザで実行されるJavaScriptスニペットを用いて統合しています。どちらの場合も、市販のコンパイラまたは既存のブラウザに存在するJavaScript機構によって生成されたコード内の条件分岐の投機的実行を悪用するだけで、被害者プロセスのアドレス空間全体（つまり、実行中のプログラムの内容）を読み取ることができることが示されています。基本的な考え方は、投機が通常はアクセスできないデータに触れる箇所を既存のコードから探し出し、投機的実行がそのデータにアクセスせざるを得ない状態にプロセッサを操作し、準備済みのプリフェッチ機構が実際にキャッシュラインをロードした場合にプロセッサが高速化する副作用の時間を計測することです。
4. 最後に、本論文は攻撃を被害者プロセスのあらゆる非機能状態に一般化することで締めくくります。バスアービトレーションの遅延など、非常に分かりにくい非機能的な影響について簡単に説明します。

2018 年現在、デスクトップ、ラップトップ、モバイル デバイスを含むほぼすべてのコンピュータ システムが Spectre の影響を受けています。特に、Spectre はIntel、AMD、ARMベース、およびIBMプロセッサで動作することが確認されています。^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]} Intel は報告されたセキュリティ脆弱性に対して公式声明を発表しました。^{[ 68 ]} AMD は当初、Spectre の亜種 ( GPZ亜種 1) の脆弱性を認めましたが、別の亜種 (GPZ 亜種 2) の脆弱性は AMD プロセッサでは実証されておらず、AMD アーキテクチャの違いにより「悪用されるリスクはほぼゼロ」であると主張しました。9 日後の更新で、AMD は「GPZ 亜種 2 ... は AMD プロセッサに適用可能」であると述べ、脅威を軽減するための今後の手順を定義しました。複数の情報源は、AMD が GPZ 亜種 2 の脆弱性について発表したことを、AMD の以前の主張からの変更と捉えましたが、AMD は自社の立場は変わっていないと主張しました。^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]}

研究者らは、Spectreの脆弱性が一部のIntel、AMD、およびARMプロセッサに影響を与える可能性があることを指摘している。^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]}特に、投機的実行を行うプロセッサはこれらの脆弱性の影響を受ける。^{[ 76 ]}

ARMは、自社のプロセッサの大部分は脆弱性がないと報告しており、Spectre脆弱性の影響を受ける特定のプロセッサのリストを公開しています。Cortex -R7、Cortex-R8、 Cortex- A8、Cortex-A9、Cortex-A15、Cortex-A17、Cortex-A57、Cortex-A72、Cortex-A73、およびARM Cortex-A75コアです。^{[ 77 ]} Apple Aシリーズプロセッサの新しいメンバーに見られるような、ARM命令セットを実装する他のメーカーのカスタムCPUコアも脆弱であると報告されています。^{[ 78 ]}一般的に、高性能CPUは集中的な投機的実行を行う傾向があり、Spectreに対して脆弱です。^{[ 79 ]}

Spectreは、Meltdownよりもクラウドプロバイダーに大きな影響を与える可能性がある。Meltdownは、権限のないアプリケーションが特権メモリから読み取り、同じクラウドサーバー上で実行されているプロセスから機密データを取得することを可能にするが、Spectreは、悪意のあるプログラムがハイパーバイザーを誘導して、その上で実行されているゲストシステムにデータを送信させることを可能にする。^{[ 80 ]}

Spectreは攻撃のクラス全体を表しているため、単一のパッチですべての脆弱性に対処できる可能性は低い。^{[ 4 ]}脆弱性の特殊なケースに対処する作業は既に行われているが、SpectreとMeltdown専用の元のWebサイトには、「[Spectre]は簡単に修正できないため、長い間私たちを悩ませることになるだろう」と記載されている。^{[ 5 ]}同時に、Dellによると、「研究者が概念実証を作成しているものの、これらの脆弱性[つまり、MeltdownとSpectre]の『現実世界』での悪用は、現在まで[2018年2月7日]報告されていない」とのことである。^{[ 81 ] [ 82 ]}

家庭用コンピュータや関連デバイスを脆弱性から保護するためのいくつかの手順が公開されています。^{[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]} Spectre パッチは、特に古いコンピュータでパフォーマンスを大幅に低下させることが報告されています。第8 世代 Core プラットフォームでは、ベンチマークのパフォーマンスが 2 ～ 14 パーセント低下することが測定されています。^{[ 87 ] [ 6 ] [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ]}

2018年1月初旬、ウェブサイトHowToGeekのクリス・ホフマンは、修正には「CPU全体のハードウェアの完全な再設計」が必要になると示唆し、ソフトウェア修正がリリースされた後、パッチが適用されたコンピュータで速度低下が予想されることを指摘した。^{[ 91 ]}

2018年には既に、機械学習がリアルタイムで攻撃を検出するために利用されていました。^{[ 92 ]}これにより、攻撃者も機械学習ベースの検出器を阻止するために機械学習を利用し、検出器は今度は敵対的生成ネットワークを使用して検出技術を適応させるという軍拡競争が生じました。^{[ 93 ]}

2018 年 1 月 4 日、Google はセキュリティ ブログで「Retpoline」（returnとtrampolineの合成語）^{[ 94 ]}と呼ばれる新しい技術の詳細を発表しました。この技術は、プロセッサのオーバーヘッドを最小限に抑えながら Spectre の脆弱性を克服できます。コンパイラレベルで間接分岐を別のターゲットに誘導することで、脆弱な投機的アウトオブオーダー実行が発生しないようにします。^{[ 95 ] [ 96 ]}この技術はx86命令セット向けに開発されましたが、Google のエンジニアは他のプロセッサにも適用できると考えています。^{[ 97 ]}

2018年1月25日、MeltdownとSpectreの脆弱性の解決に関する現状と今後の検討事項が発表された。^{[ 98 ]}

2018 年 3 月、インテルは Meltdown と Spectre-V2 のみのハードウェア修正を開発し、Spectre-V1 は開発していないと発表した。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}これらの脆弱性は、プロセスと特権レベルの分離を改善する新しいパーティショニング システムによって軽減された。^{[ 13 ]}

2018年10月8日、インテルはCoffee Lake-Rプロセッサ以降にSpectreとMeltdownの脆弱性に関するハードウェアとファームウェアの緩和策を追加したと報じられた。^{[ 14 ]}

2018年10月18日、MITの研究者らは、パフォーマンスを損なうことなくセキュリティを向上させる可能性のあるDAWG（Dynamically Allocated Way Guard）と呼ばれる新しい緩和策を提案した。^{[ 99 ]}

2019年4月16日、カリフォルニア大学サンディエゴ校とバージニア大学の研究者らは、コンテキストセンシティブフェンシングを提案した。これは、動的実行ストリームにフェンスを外科的に挿入するマイクロコードベースの防御メカニズムであり、パフォーマンスの低下をわずか8%に抑えながら、多くのSpectre亜種から保護する。^{[ 100 ]}

2021年11月26日、テキサスA&M大学とインテルの研究者らは、Spectre攻撃（およびその他の一時的な攻撃）は、データが漏洩する前に一般的なウイルス対策ソフトやマルウェア対策ソフトでは検出できないことを実証した。彼らは、これらの攻撃の回避型バージョンを設計してマルウェアを構築するのは容易であることを示した。^{[ 92 ]}

2022年10月20日、ノースカロライナ州立大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校、インテルの研究者らは、マイクロアーキテクチャ層で情報漏洩が発生する前に一時的な攻撃を検出できる初の機械学習検出技術を設計できたと発表した。この技術は敵対的トレーニングも備えており、Spectre攻撃の多くの敵対的および回避的なバージョンに対して耐性がある。^{[ 93 ]}

• ARM: ^{[ 109 ]}
  • A55
  • A53
  • A32
  • A7
  • A5

• x86 :
  • Intel Atom N270 / N280
  • i486以前のバージョン

• IA-64 :
  • インテル イタニウム

• RISC-V
  • SiFive Freedom U740

• ローハンマー
• ネタバレ注意（セキュリティ上の脆弱性）
• 投機的実行CPUの脆弱性

• Kocher, Paul ; Genkin, Daniel; Gruss, Daniel; Haas, Werner; Hamburg, Mike; Lipp, Moritz; Mangard, Stefan; Prescher, Thomas; Schwarz, Michael; Yarom, Yuval (2018). "Spectre Attacks: Exploiting Speculative Execution" (PDF) . 2018年1月3日にオリジナルからアーカイブ済み(PDF) 。
• "WRITEUP (59.9 KB) – Project Zero – Monorail" . bugs.chromium.org .
• キリアンスキー、ウラジーミル。ヴァルトスプルガー、カール。シュワルツ、マイケル。リップ、モリッツ。フォン・ベルク、ベンヤミン。オルトナー、フィリップ。ピーセンス、フランク。エフチュシュキン、ドミトリー。グラス、ダニエル (2018)。 「一時的な実行攻撃と防御の系統的評価」。arXiv : 1811.05441v3 [ cs.CR ]。

• MeltdownとSpectreの脆弱性に関する詳細情報を掲載したウェブサイト（グラーツ工科大学が運営）。
• Google Project Zeroに関する記事
• メルトダウン/スペクターチェッカーギブソン・リサーチ・コーポレーション
• Linux向けSpectreおよびMeltdown脆弱性/対策チェッカー