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看了一篇 IT 之家關(guān)于 AMD 處理器受 RowHammer 內(nèi)存攻擊影響的報(bào)道，心血來潮了解了一下 RowHammer 攻擊的原理，把了解到的知識(shí)記錄下來。

RowHammer 攻擊是一種相對(duì)較新的攻擊方式，它利用了現(xiàn)代動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）的物理缺陷，這種攻擊方式不同于傳統(tǒng)的軟件漏洞利用，它直接針對(duì)硬件的弱點(diǎn)。這種攻擊利用了 DRAM 在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的意外電荷泄漏效應(yīng)，可能導(dǎo)致存儲(chǔ)器單元泄露電荷并造成比特翻轉(zhuǎn)。這個(gè)問題主要是由于現(xiàn)在 DRAM 存儲(chǔ)單元高密度排列造成的。通過在一定模式下的高頻率反復(fù)內(nèi)存訪問，攻擊者可以在其原本無權(quán)訪問的內(nèi)存區(qū)域引發(fā)存儲(chǔ)值的變化。這種攻擊可以導(dǎo)致權(quán)限提升、數(shù)據(jù)泄漏和拒絕服務(wù)等安全問題。

要理解 RowHammer 攻擊，首先需要了解 DRAM 的工作原理。DRAM 通過存儲(chǔ)電荷在電容中來保存信息，每個(gè)電容與一個(gè)訪問晶體管相連，共同構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元（Cell，如下圖所示）。電容充滿電，存儲(chǔ)單元就是 1，電容放完電，存儲(chǔ)單元就是 0，晶體管用來控制電容充放電。

這些存儲(chǔ)單元被組織成多行多列，形成一個(gè)二維陣列（Bank，如下圖所示）。當(dāng)讀取或?qū)懭雰?nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)存儲(chǔ)單元行會(huì)被激活，整行的數(shù)據(jù)會(huì)被加載到行緩沖器（row-buffer）中，同時(shí)存儲(chǔ)單元中的電容放電，在行緩沖器內(nèi)完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。在操作完成后，行緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)會(huì)寫入原來的存儲(chǔ)單元行之中，同時(shí)存儲(chǔ)單元中的電容充電。所以，不論是讀還是寫數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元都會(huì)充放電。

在內(nèi)存如“白菜”價(jià)的今天，不改變內(nèi)存電路板面積大小的前提下，為了能存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，只能將存儲(chǔ)單元排列的越來越近，密度大幅度增加。雖然芯片的制程有所提升，但每個(gè)電容之間的隔離不是完全的。當(dāng)一個(gè)行被頻繁激活時(shí)，相鄰行的電容可能會(huì)受到電磁干擾，導(dǎo)致存儲(chǔ)的比特從 1 翻轉(zhuǎn)為 0，或者相反。這種比特翻轉(zhuǎn)可以被惡意利用，攻擊者可以通過精心設(shè)計(jì)的內(nèi)存訪問模式來控制比特翻轉(zhuǎn)的位置和結(jié)果。通過高頻率地讀取 DRAM 中的某一行，可以影響到相鄰行中的數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象被稱為 RowHammer，因?yàn)樗拖裼缅N子反復(fù)敲擊內(nèi)存行一樣。如下圖所示，第 1、3 行是攻擊行，這兩行中間是被攻擊行，攻擊行不停地充放電，中間行大概率會(huì)出現(xiàn)比特翻轉(zhuǎn)。

即使理解了 RowHammer 攻擊的原理，如果不知道哪些存儲(chǔ)單元里隱藏著關(guān)鍵數(shù)據(jù)，毫無目的的去攻擊也沒有意義。更何況程序在訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，并不會(huì)直接使用內(nèi)存中的真實(shí)地址，而是使用虛擬地址映射的方式進(jìn)行訪問。這使得找到數(shù)據(jù)的真實(shí)地址變得更加困難，所以很長(zhǎng)時(shí)間以來，對(duì)于 RowHammer 攻擊的研究只停留在理論階段，解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)逆向 DRAM 地址映射。由百度安全所研究設(shè)計(jì)的逆向工具 DRAMDig 能夠在平均 7 ~ 8 分鐘時(shí)間，快速、可靠地逆向出 DRAM 地址映射，解決了這一復(fù)雜的問題。感興趣的朋友可以閱讀這篇論文《DRAMDig: A Knowledge-assisted Tool to Uncover DRAM Address Mapping》（DOI: 10.1109/DAC18072.2020.9218599）。

盡管 RowHammer 攻擊非常強(qiáng)大，但也不是無法防御的。從硬件層面，新的 DRAM 芯片中實(shí)現(xiàn)了各種緩解措施，如目標(biāo)行刷新（Target Row Refresh, TRR），或者使用支持 ECC 的 DRAM 內(nèi)存。軟件層面的解決方案包括增加內(nèi)存訪問的隨機(jī)性，以減少連續(xù)訪問同一行的可能性。

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