如何确保一段代码永远不会离开CPU缓存(L3)？

Question

最新的Intel XEON处理器拥有30MB的L3内存，这足以容纳一个轻型1类Hypervisor。

我想了解如何将这样的Hypervisor保留在CPU内部，即防止其被刷新到RAM或至少在发送到内存/磁盘之前加密数据。

假设我们在裸机上运行，并且我们可以使用DRTM（Late Launch）引导此过程。例如，我们从不受信任的内存/磁盘加载，但只有在设置适当的规则确保发送到RAM的所有内容都被加密后，我们才能加载真正的操作系统，解开用于解密操作系统的秘密。

附注：我知道TXT的ACEA aka ACRAM（认证代码执行区域aka认证代码RAM）被认为具有这种保证（即它受到CPU缓存的限制），因此我想知道是否可以围绕此进行一些技巧。

附注2：看起来这已经超出了当前的研究范围，因此我实际上并不确定是否可能回答这个问题。

- northox

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我可能错了，因为已经有一段时间了，但我怀疑在Xeon上仍然无法锁定缓存行。 - Joachim Isaksson

看起来PrivateCore.com/vcage在这方面很成功。 - northox

请看此 Twitter 讨论：https://twitter.com/jf/status/377582143490510848 - northox

@northox - 如果你关心安全问题，也许这个链接会很有趣 - http://theinvisiblethings.blogspot.co.il/2013/08/thoughts-on-intels-upcoming-software.html - Leeor

@Leeor 是的，我知道这一点，但与此同时，我对了解如何实现这一点（并且似乎是由privatecore完成的）很感兴趣。到目前为止，我所看到的唯一能够做到这一点的东西是ACEA（Authenticated Code Execution Area - 由TXT使用）。我将在我的问题中添加一些细节。 - northox

Answer 1

您的问题有些含糊，但似乎归结为您是否能在Intel Xeon上锁定缓存行。答案似乎是否定的，因为在Intel 64或IA-32的文档中没有提到此功能...至少对于公开可用的型号而言。如果您向Intel投入数百万美元，可能可以获得具有此功能的定制Xeon。Intel现在从事定制处理器业务。

缓存锁定通常适用于嵌入式处理器。Intel XScale具有此功能，许多ARM处理器等也具有此功能。

请注意，缓存锁定并不意味着缓存的数据/指令永远不会在RAM中找到。您似乎想要的是一种安全的私有内存（而不是缓存），可能在微码级别。但那不是缓存，因为它与缓存的定义相矛盾...正如您可能知道的，过去十年中生产的每个Intel CPU都拥有可更新的微码，该微码相当安全地存储在CPU内部，但您需要具有正确的加密签名密钥才能生成被CPU接受的代码（通过微码更新）。您似乎想要的是相当于这个的东西，但是在x86 / x64指令级别而不是在微码级别。如果这是您的目标，则授权x86 / x64兼容的IP核并向其添加受加密保护的EEPROM是正确的方法。

您在进一步的评论中提到的未来的Intel软件保护扩展（SGX）并不能解决您的超级管理员代码从未以明文存储在RAM中的问题。这是SGX的设计，以便可以在将其包含之前扫描病毒等。

最后，我无法真正评论privatecore的技术，因为我找不到有关他们所做的真正技术描述。 Twitter评论和面向初创企业网站的新闻文章都没有提供这些信息，他们的网站也没有。他们的商业模式现在归结为“相信我们，我们知道我们在做什么”。我们可能会在某一天看到他们的东西的真正安全描述/分析，但我现在找不到它们。他们声称自己 “PRISM免疫” 的说法可能会让NSA内部的某个人发笑...

重要更新：实际上，可以在x86世界中禁用（整个）缓存写回RAM。这些是在AMD领域被称为“cache-as-RAM mode”，在英特尔公司则被称为“no-fill mode”的官方未记录的模式。详情请参见https://www.youtube.com/watch?v=EHkUaiomxfE。由于这是未记录的内容，因此英特尔（至少）保留以奇怪的方式破坏该“功能”的权利，如https://software.intel.com/en-us/forums/topic/392495讨论的那样。

更新2：一份2011年的联想专利http://www.google.com/patents/US8037292讨论了在英特尔CPU上使用新的（？）无驱逐模式（NEM）来将BIOS加载到CPU缓存中。该方法可能可用于其他类型的代码，包括监管程序。然而，有一个很大的警告。除了已经缓存的内容之外的代码将运行非常缓慢，因此我认为这在引导过程之外并不真正可用。有一些coreboot代码展示了如何启用NEM (https://chromium.googlesource.com/chromiumos/third_party/coreboot/+/84defb44fabf2e81498c689d1b0713a479162fae/src/soc/intel/baytrail/romstage/cache_as_ram.inc)

- Fizz