CPU-mechanisme dat vooruit instructies uitvoert op basis van voorspellingen voordat bijvoorbeeld de uitkomst van een sprong bekend is. Bij een foute voorspelling wordt het resultaat ongedaan gemaakt, maar sporen zoals in de cache kunnen achterblijven.
Japanse benaming: 投機的実行
“Speculatieve uitvoering” komt voor in 4 oefenvragen uit 2 onderwerpen, bijv. Hardwarebeveiliging, CPU en architectuur.
Vakgebied: Hardwarebeveiliging
Een krachtige CPU heeft een diepe pipeline en voert instructies out-of-order uit, dus wachten tot elke sprong is opgelost zou hem vele cycli stil laten staan. In plaats daarvan raadt een branch predictor de uitkomst en blijft de core instructies ophalen en uitvoeren langs het voorspelde pad. Deze speculatieve resultaten worden in interne buffers bewaard en pas doorgevoerd (commit, ook wel retire) als de gok is bevestigd. Was de voorspelling fout, dan gooit de core het speculatieve werk weg en begint hij opnieuw op het juiste pad, zodat de zichtbare resultaten van het programma altijd correct zijn.
Het terugdraaien van een foute voorspelling herstelt de architecturale toestand, dat wil zeggen de registers en het geheugen die een programma rechtstreeks kan waarnemen. Het maakt geen wijzigingen ongedaan in de microarchitecturale toestand, zoals welke lines in de cache staan, de inhoud van de TLB of de geschiedenis van de predictor. Die wijzigingen zijn normaal onschadelijk omdat programma's ze niet rechtstreeks kunnen lezen, maar timing kan ze verraden: een toegang tot een gecachete line is meetbaar sneller dan een toegang tot het hoofdgeheugen. Dit verschil tussen wat wel en niet wordt teruggedraaid, is de oorzaak van kwetsbaarheden door speculatieve uitvoering.
Bij Spectre, in 2018 samen met Meltdown openbaar gemaakt, traint een aanvaller de branch predictor zo dat een pad dat nooit zou mogen draaien, zoals code voorbij een grenscontrole, speculatief wordt uitgevoerd, een geheim leest en de waarde ervan gebruikt om een bepaalde cacheline aan te raken. De resultaten worden weggegooid, maar door te timen welke line in de cache staat, wordt het geheim via een cache-side-channel onthuld. Meltdown misbruikte CPU's waarbij een speculatieve load data uit kernelgeheugen kon teruggeven voordat de rechtencontrole effect had. Vrijwel alle krachtige CPU's waren kwetsbaar voor minstens één variant.
De mitigaties beslaan elke laag: besturingssystemen scheidden de paginatabellen van kernel en gebruiker, compilers voegen speculatiebarrières in of gebruiken reeksen voor indirecte sprongen die vergiftigde voorspellingen vermijden, microcode-updates voegen besturingsmogelijkheden voor het gedrag van de predictor toe, en nieuwere CPU's hebben ingebouwde hardwarefixes. Elke beperking op speculatie, voorspelling of gedeelde caches vermindert het lekken, maar kan prestaties kosten, dus ontwerpers bepalen hoe ver ze gaan op basis van welke data op het spel staat. De episode liet zien dat prestatievoorzieningen beveiligingszwakheden kunnen worden, ook als de software foutloos is.
Antwoord: B. Spectre en Meltdown
Spectre en Meltdown, in 2018 bekendgemaakt, misbruiken dat gegevens die zijn ingelezen bij speculatief uitgevoerde instructies in de cache achterblijven, ook als het resultaat wordt teruggedraaid, en leiden via verschillen in toegangstijd (zijkanaal, side channel) geheime gegevens af die eigenlijk niet gelezen kunnen worden. Vrijwel alle krachtige CPU's werden getroffen en er volgden aanpassingen in het besturingssysteem en wijzigingen in het CPU-ontwerp. Het is een voorbeeld dat laat zien dat een mechanisme voor hogere prestaties een beveiligingszwakte kan worden.
Ze zijn verwant, maar verschillend. Out-of-order-uitvoering herordent instructies waarvan de invoer klaarstaat, terwijl speculatieve uitvoering instructies uitvoert voordat bekend is of ze überhaupt moeten worden uitgevoerd, zoals instructies na een nog niet opgeloste sprong; moderne cores doen beide.
Spectre misleidt de branch predictor om speculatief legitieme codepaden uit te voeren die data lekken waartoe het slachtofferprogramma toegang heeft. Meltdown misbruikte CPU's waarvan speculatieve loads kernelgeheugen konden lezen voordat de rechtencontrole effect had, en werd grotendeels verholpen met isolatie van kernelpaginatabellen en latere hardwarewijzigingen.
De CPU gooit de registerresultaten weg, maar herstelt de cache niet, dus data die tijdens speculatie is geladen laat een spoor na dat kan worden gedetecteerd door toegangstijden te meten.
Ook als software correct is geschreven, kunnen geheimen lekken of kan de beveiliging worden doorbroken door speculatieve uitvoering en caches ten behoeve van prestaties, door stroomverbruik en tijd die met de verwerking variëren, door storingen als gevolg van afwijkingen in spanning of temperatuur en door tijdens de productie ingebrachte schakelingen.
Welke uitspraak over de problemen die onder hardwarebeveili…Tegenmaatregelen tegen Spectre zijn onder meer het plaatsen van een instructie die speculatieve uitvoering stopt na een voorwaardelijke sprong (zoals lfence bij x86), het maskeren van indices zodat niet buiten het bereik kan worden gelezen, een schrijfwijze die misbruik van de voorspelling van indirecte sprongen voorkomt (zoals retpoline) en het sturen van voorspellers met microcode-updates van de CPU.
Welke van de volgende is geen maatregel die wordt gebruikt …Speculatieve uitvoering, sprongvoorspelling en gedeelde caches zijn mechanismen die de hoge prestaties van huidige CPU's dragen.
Welke uitspraak is in het algemeen juist over maatregelen t…Spectre Meltdown Via Numerieke apertuur (NA) Sprongvoorspelling (branch prediction) Cold-bootaanval Constante-tijdimplementatie Echte-toevalsgetalgenerator (TRNG) eFuse Enclave