面向缓存侧信道攻击防护的快速刷写技术

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：郑帅, 徐向荣, 肖利民, 刘浩, 谢喜龙, 杨睿, 阮利, 廖晓坚, 刘善峰, 张万才, 王良

单位：1.复杂关键软件环境全国重点实验室 北京 1001912.北京航空航天大学计算机学院 北京 1001913.国网河南省电力公司电力科学研究院 郑州 4500004.国电南瑞科技股份有限公司 南京 211100

摘要：缓存作为处理器中缓解主存访问延迟的重要结构，在提升系统性能的同时，其共享性也为攻击者实施侧信道攻击提供了条件。近年来，针对数据缓存的多种侧信道攻击手段相继被提出，严重威胁处理器系统的安全性。为应对此类威胁，各类防护策略也不断涌现。现有基于缓存映射随机化的方案通常伴随较高的硬件开销，不适用于资源受限的一级缓存；而基于缓存刷写的方案则存在效率较低的问题。针对上述问题，该文提出基于快速刷写的缓存侧信道攻击缓解技术，通过在数据缓存中引入生存时间标识，在执行缓存刷写时，有选择地执行缓存写回操作，提高缓存刷写效率。该文基于 (RISC-V)架构处理器对上述防护策略进行了实现，并在FPGA平台上对其硬件开销进行了评估，相较于原始缓存刷写方法可减少70%左右的刷写执行时间，相比于原有数据缓存结构，所带来的额外硬件逻辑开销为8%左右，引入标记位的额外存储开销仅为0.01%左右。

关键词：缓存侧信道攻击, RISC-V安全, 缓存刷写

基金资助：国家重点研发计划(2023YFB4503100)，国家自然科学基金(62272026, 62104014)，复杂关键软件环境全国重点实验室项目(CCSE-2024ZX-10)，未来区块链与隐私计算北京市高精尖创新中心项目(GJJ-23)