如何看待美国研究人员设计出的「无法被黑的芯片」？

刚听说这条消息的时候，我直接就是一个嗤之以鼻。一个系统只要能接受来自人类的指令，就一定存在相应的攻击向量。你可以不断拔高攻击的难度，但是“不可攻破”就是痴人说梦了，研究人员和记者两方必有一方是骗人的小狗。

于是我翻开相关论文，扫了一眼相关机构，嗯……密歇根大学、UT Austin、普林斯顿大学，还拿了美国国防高级研究计划局（DARPA）足足360万经费，好，肯定是记者的报道出了偏差，他是要负责任的。

批判完记者的标题党行为之后，我怀着对新架构的好奇继续读完了论文，然后……我感觉整个人都陷入了一种“哇”的状态。这个 MORPHEUS 架构虽然远远谈不上“不可攻破”，但是它却有可能将一类相当常见、相当泛滥的漏洞彻底根除，对信息安全领域产生深刻的影响。

那么，请容我在这里卖个关子。在 CPU 架构层能根绝的漏洞类型不多，猜到是哪一种了吗？

比较书卷气的答案是控制流劫持（Control-Flow Hijacking）。这个叫法有点太学术了，不少人可能听不懂我说的是什么。但如果我说溢出攻击（Overflow）的话，想必有人就会恍然大悟了。

其实严格来讲，这两个概念并不完全一样。

溢出攻击指的是黑客通过一些内存读写方面的逻辑漏洞，恶意覆盖某段内存，把里面的数据污染成自己想要的内容。如果黑客污染的是跳转地址、函数返回地址等数据的话，就能实现控制流劫持，操纵程序跳转到自己想要的任意位置；污染其他敏感数据的话，又会产生别的效果，比如篡改关键校验位、提升权限等。

目前，MORPHEUS 架构对后一种情况还力不从心，但是对于前一种情况却有着极其优异的表现。我所说的“极其优异”，是指跟目前所有防护手段相比，MORPHEUS 都呈现出压倒性的安全优势和性能优势。在看完了具体数据之后，我甚至开始有些害怕：如果美方单方面地将这类“安全处理器架构”发展成熟，列装到政府系统和军用系统里，中方在这个领域会不会变得只能被动挨打？只能看着敌人把这些高危攻击砸在我们的系统里，我们却无法还击？想必美国的国防高级研究计划局也是因为看到了这种可能，才会豪掷360万美金参与打造了 MORPHEUS 的原型机，以求能在这个方向上领先一步占据优势。

好了，危言耸听了这么多，是时候科普一下目前为止 MORPHEUS 公开的技术细节了。在开始科普之前，先来贴一下相关论文链接：Morpheus: A Vulnerability-Tolerant Secure Architecture Based on Ensembles of Moving Target Defenses with Churn.

0x01 浅谈栈溢出攻击

为了照顾背景知识不足的读者，我们先来简单聊一聊一类常见的控制流劫持攻击——栈溢出攻击（Stack Overflow）。

有编程背景的同学应该都知道，一个函数调用的内存是在栈（Stack）上分配的，其中包含着这个函数执行结束后应该返回的位置。

栈溢出攻击，就是利用程序读写内存时出现的逻辑缺陷，将这个返回地址覆盖成攻击者想要的地址，让程序跳转到攻击者预先注入的一段恶意程序上，接管整个程序的执行。

显而易见地，为了让这整段攻击顺利完成，攻击者需要达成起码三项条件：

成功覆盖某段关键内存，比如函数返回地址。
覆盖后成功跳转到一段恶意代码。
跳转到的恶意代码成功得到执行。

所有关于栈溢出的攻防，总归是要围绕这三项条件展开的，比如：

Rust 、C∀ (C for all) 等项目想要设计出更安全的编程语言，从源头上杜绝攻击者覆盖内存。但是由于包括 Linux 内核在内的老旧C语言项目数量太多、规模太大，在将来十到二十年内也许看不到将它们全部移植到安全语言的可能。
代码指针完整性校验（Code-Pointer Integrity, CPI）与代码指针隔离（Code-Pointer Seperation, CPS）则是把所有指向代码的指针都隔离存放到一块安全的区域里，并且限定读写这些指针的条件，防止攻击者将它们覆盖、指向恶意代码。
地址空间布局随机化（Address Space Layout Randomization, ASLR）可以打乱数据在内存中的分布，让攻击者找不到自己注入的恶意代码，从而阻止恶意跳转发生。然而 ASLR 仅仅会在程序加载时打乱一次，之后不再进行打乱，因此可以通过堆喷（Heap Spray）等攻击手段绕过。
控制流完整性校验（Control-Flow Integrity, CFI）试图审计与监控跳转行为，拦截所有可疑的跳转。但是这样的方案理所当然地会产生严重的性能负担，所以现有的 CFI 方案基本都为了性能牺牲了安全性，留下了种种破绽。
数据执行保护（Data Execution Prevention, DEP）和指令集随机化（Instruction-Set Randomization, ISR）等防护可以阻止未授权的代码在设备上执行，但是这类防护大都可以通过面向返回编程（Return-Oriented Programming, ROP）、面向跳转编程（Jump-Oriented Programming, JOP）等手段绕过。

这些年来，CPI 和 CFI 都是相当热门的研究方向。尤其是 CPI，不仅通过形式化证明论证了自己理论上百分之百的安全性，性能数据也相当喜人。根据 SPEC2006 的性能测试结果，应用了 CPI 技术后，程序的运行时间平均增加 8.5%，最差情况下增加 44.2% ，远低于“细粒度 CFI”等相同安全级别的防护手段。

但是，让我们把目光放回到今天的主角身上，MORPHEUS 的性能表现又是如何呢？

同样是 SPEC2006 性能测试，程序运行在标准的 MORPHEUS 架构上时，运行时间平均增加 0.86%，最差增加 6.71%，碾压了几乎全部的已知手段。这个悬殊的结果乍一看让人觉得有些不可思议，但细想之后又是理所当然：MORPHEUS 所用到的所有操作，都是在硬件层由电路直接支持的，怎么可能会不快呢。其他防护手段想要胜过 MORPHEUS，估计只能从安全性上做文章了。

遗憾的是，在读过 MORPHEUS 的设计之后，我觉得其他手段在安全性上应该也很难和它比肩了。因为在 MORPHEUS 的设计里，我觉得我能看到所有已知手段的影子。

0x02 MORPHEUS 架构原理

MORPHEUS架构的原理，用论文标题中的一段就能完美概括：“Ensembles of Moving Target Defenses with Churn”，直译成中文的话，就是“将若干种移动目标防御手段结合使用，并且反复进行搅乱操作”。

移动目标防御（Moving Target Defenses）是近些年各国都极其重视的发展方向，被美国国土安全部称为“改变游戏规则的新型信息安全技术”。它的基本思想很简单：在传统的静态系统里，大部分的敏感数据都是固定不变的，攻方可以有相当宽裕的时间进行刺探和信息收集，而守方只能在出事之后被动应对，处于敌暗我明的不利局面。移动目标防御的目的，就是让整个系统活动起来、随机起来，让攻方刺探到的每一条信息都迅速失效，拉平攻守双方的信息不对称。

可以被归类为移动目标防御的技术手段有很多，比如我们常见的银行数字令牌，就属于一次性密码（One-Time Password）的范畴。而在控制流劫持这个领域，我们主要用到的技术是之前提到的 ASLR 和 ISR，这里让我们复读一下：

地址空间布局随机化（Address Space Layout Randomization, ASLR）可以在程序每次加载时，打乱数据在内存中的分布，让攻击者找不到自己注入的恶意代码。
指令集随机化（Instruction Set Randomization, ISR）可以在程序每次加载时，为 CPU 制定一套加密过的指令集，并且把内存里的每一行代码都转换成加密过的指令集。这样一来，由于黑客不知道程序这次运行所使用的指令集，他写出来的二进制代码也就不可能正常执行。

这两种 MTD 都只会在程序加载时执行一次，所以又被称为加载时移动目标防御（Load-time MTD）。显然，它们的防护力度并不够理想，尤其是对于各种服务器软件来说，一次运行往往要持续好几个月，期间地址空间布局和指令集都会保持不变，给攻击者留下充足的刺探时间。

既然如此，那这几个月我们对服务器软件随机做几次 ASLR 和 ISR，是不是就能解决问题了呢？很遗憾，对于传统 CPU 架构来说这基本是不可能的。这种行为打个比方的话，就相当于是在客机飞行期间给发动机换零件，发动机还不能熄火。如果这都不爆炸的话，你修的可能是纸飞机。

而 MORPHEUS 架构的奇妙之处，就在于它把 ASLR 和 ISR 转换成了两种效果相仿的操作，并且在架构层添加了若干电路和一个搅乱单元（Churn Unit）进行硬件支持，把“万米高空修飞机”这个虚幻操作变成了可能。更夸张的是，它不仅把这个操作变成了可能，还把它变得贼快，以至于你可以每 50ms 搅乱一次，对性能的损耗却仅仅只有 0.86% 左右。

这个魔术具体的实现细节比较繁琐，我在科普文里就不再细讲了，有兴趣的朋友可以看一下论文的4.2、4.3和4.4节。顺便一提，4.3节的 Domain Encryption 不仅仅有 ISR 的效果，它同时还加密了代码指针（Code Pointer），起到了类似 CPI/CPS 的防护效果。

在论文之中，有一张图很好地体现了 MORPHEUS 架构的优越之处：

图中的“Probe”表示攻击者在进行嗅探的时间。上中下三条分别表示：

没有移动目标防御的情况下，攻击者简单进行一次嗅探就可以开始攻击了。
使用移动目标防御之后，攻击者的嗅探时间被拖得很长，但是还是成功进行了攻击。
而在 MORPHEUS 架构下，攻击者每次嗅探都遭到了疯狂打断，一次攻击都没能完成。

更无情的是，MORPHEUS 架构还吸取了 DEP 的核心思想，实现了对可疑行为的动态检测。

在 MORPHEUS 架构上，设计人员定义了四种数据类型：代码（C）、数据（D）、代码指针（CP）、数据指针（DP）。MORPHEUS 的编译器会标记每块内存的身份，帮助 CPU 判断用户的行为合不合理，比如：

一块内存被标记为数据，用户却要把它当成代码去执行，这明显就是一个恶意行为，MORPHEUS 会直接终止程序执行。
一块内存标记为代码指针，用户却要对它进行加减乘除，这很可能是攻击者在进行嗅探，属于可疑行为，会当场触发一次搅乱（Churn）。

这一整套组合下来，对于攻击者来说基本就是地狱难度了。即使攻击者小心翼翼地绕过了行为检测，他也只有顶多50毫秒的时间进行操作。这50毫秒可能还不够数据包传到服务器上，所有的敏感数据就全打乱了。这种感觉就好像是猎人进山打鸟，发现山里的鸟竟然都会瞬移，别说站远处打了，枪口顶在鸟头上你都打不中，这种效果简直令猎人绝望。

0x03 头脑冷静时间

那么，MORPHEUS 架构是否就是我们要找的“银弹”了？是否就是完美的解决方案了？

坦白地说，现在还不知道，因为还没有看到形式化证明。即使有了形式化证明，也只是证明了理论上的绝对安全。实际做成产品之后，又会因为现实世界的不完美而出现种种缺陷。即使实际产品也已经做到尽善尽美了，它所解决的问题也只是信息安全领域一个相当狭窄的子集，在这之外还有浩如烟海的漏洞是 MORPHEUS 无能为力的。

不过，就算 MORPHEUS 本身不是我们在找的银弹，它也为我们指出了一条前景似乎非常美妙的道路——基于硬件进行高速 MTD，把攻击者直接逼上绝路。这条路如果真的能够走通的话，对于信息安全领域绝对会产生非常深刻的影响，甚至可能衍生出一批“耐漏洞”的计算机架构，让人类永远摆脱漏洞挖掘这项繁琐又枯燥的工作。

当然，如果真有那一天，安全行业恐怕就要大失业了。

最后顺便闲聊两句吧。

这段时间日子过得比较忙，索性从知乎上淡出了两个月，做个简单的休息与调整，毕竟一直坚持输出干货实在是太累了。现在休息得差不多了，手里也攒了一些比较有意思的材料，接下来应该会小小地活跃一阵子，欢迎关注。

另外，觉得本文有价值的话，欢迎点个赞支持一下。对信息安全感兴趣的同学，也欢迎阅读我写的其他信息安全科普类文章：

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：Gh0u1L5

【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载

此问题还有 14 个回答，查看全部。
延伸阅读：
会不会所有的芯片都有后门？包括用国外设计软件设计的自主生产的芯片？

如何看待芯片tiny chips？