一位精明的黑客可以通过观察计算机程序的行为，例如程序在访问计算机内存时花费的时间，获取秘密信息，如密码。

对于这些“侧信道攻击”，完全阻止它们的安全方法过于计算密集，对于很多实际系统来说并不可行。相反，工程师们通常采用所谓的混淆方案，旨在限制但并非消除攻击者获取秘密信息的能力。

为了帮助工程师和科学家更好地理解不同的混淆方案的有效性，麻省理工学院的研究人员创建了一个框架，可以定量评估一个受害程序在采用混淆方案后，攻击者可以从中获得多少信息。

他们的框架被称为Metior，允许用户研究不同受害程序、攻击者策略和混淆方案配置对泄露敏感信息的影响程度。该框架可供微处理器开发工程师使用，以评估多种安全方案的有效性，并在芯片设计早期确定最有前景的架构。

"Metior帮助我们意识到我们不能孤立地看待这些安全方案。分析某个特定受害者的混淆方案的有效性非常诱人，但这并不能帮助我们理解为什么这些攻击会起作用。从更高的层次上看待问题，给我们提供了一个更全面的实际情况的图景，" Peter Deutsch说道，他是一位研究生，并且是一篇关于Metior的开放获取论文的主要作者。

德意志的共同作者包括韦恩·泰克·纳（Weon Taek Na），麻省理工学院电子工程与计算机科学专业的研究生；托马斯·博吉特博士（Thomas Bourgeat），瑞士联邦理工学院（EPFL）助理教授；乔尔·埃米尔（Joel Emer），麻省理工学院计算机科学与电子工程实践教授；以及资深作者门洁娅·扬（Mengjia Yan），麻省理工学院荣誉尔·A·伯内尔高级职业发展助理教授，同时是计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的成员。这项研究于上周在佛罗里达州奥兰多举行的国际计算机体系结构研讨会上进行了展示。

透彻阐明的曲折迷雾

虽然有许多混淆方案可供选择，但主流方法通常通过为受害者的行为添加一些随机性，以增加攻击者了解机密的难度。例如，一个混淆方案可能涉及程序访问计算机内存的附加区域，而不仅仅是所需访问的区域，以困惑攻击者。其他方案则通过调整受害者访问内存或共享资源的频率，使攻击者难以察觉明显的模式。

然而，尽管这些方法使得攻击者更难成功，但是一些关于受害者的信息仍然会“泄露”出来。颜教授和她的团队希望了解这种泄露的程度。

他们之前开发了CaSA，这是一种用来量化某一特定类型混淆方案泄露信息量的工具。然而，凭借Metior，他们有了更加雄心勃勃的目标。团队希望能够制定一个统一模型，能够用于分析任何混淆方案，甚至是尚未开发出来的方案。

为了实现这个目标，他们设计了Metior来映射信息流通过一个混淆方案到随机变量中。例如，该模型将受害者和攻击者访问计算机芯片上共享结构（如内存）的方式映射成了数学公式。

Meteor得出了这样一个数学表示，这个框架使用了信息论的技术来理解攻击者如何从受害者那里获取信息。有了这些构件的支持，Meteor可以量化攻击者成功猜测受害者的秘密信息的可能性。

我们将这个微架构侧信道的所有细微元素梳理整理，实质上将其归纳为一个数学问题。一旦我们完成这一步骤，我们便能够探索许多不同的策略，并更好地理解通过进行微小调整如何帮助您防范信息泄漏，"Deutsch说道。

令人惊叹的洞察力

他们在三个案例研究中应用了Metior，以比较攻击策略并分析最先进的混淆方案中的信息泄露。通过他们的评估，他们看到了Metior如何能够识别出以前未完全理解的有趣行为。

例如，之前的分析发现，一种被称为概率素数探测的侧信道攻击成功是因为这种精密攻击包括了一个初步步骤，即调查受害系统以了解其防御措施。

利用Metior，他们展示了这种先进的攻击实际上与简单、通用的攻击效果并无区别，而且它利用的受害者行为与研究人员之前所想的完全不同。

在未来，研究人员希望进一步提升Metior的能力，以便该框架能够更高效地分析即使是非常复杂的混淆方案。他们还希望研究更多的混淆方案和受攻击程序类型，以及对最受欢迎的防御措施进行更详尽的分析。

最终，研究者们希望这项工作能够激发他人研究微体系结构安全评估方法，以在芯片设计过程的早期应用这些方法。

"任何类型的微处理器开发都异常昂贵且复杂，设计资源极其紧缺。在公司决定进行微处理器开发之前，评估安全功能的价值至关重要。这正是Metior在一个非常广泛的范围内帮助企业实现的功能，" Emer说道。

这个故事重新发表，感谢麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/）的支持。该网站是一个受欢迎的站点，报道麻省理工学院的研究、创新和教学方面的新闻。