Meltdown

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Meltdownの概要

Meltdown は、Intel製CPU（および一部のARM CPU）に影響を与えた深刻な脆弱性で、カーネルメモリの内容をユーザープログラムが読み取れてしまうという問題です。

通常、ユーザープロセスはカーネルメモリに直接アクセスできませんが、Meltdownを悪用するとアクセス制限を回避して、他のプロセスやOSの重要データを読み取ることが可能になります。

Meltdownの原因: 投機的実行とキャンセル処理の不備

1. CPUの投機的実行とは？

現代のCPUは、処理を高速化するために「投機的実行（Speculative Execution）」という最適化を行います。

これは、プログラムの分岐（if文など）を予測し、予測が当たった場合に処理を素早く進める仕組みです。

投機的実行の流れ（正常な動作）

2. 予測が当たっていればそのまま実行結果を確定する。

3. 予測が外れた場合、実行結果をキャンセルする（このキャンセル処理が重要）。

2. Meltdownが発生する原因

本来、カーネルメモリのデータはユーザープロセスから直接読めないようにアクセス制御されています。

しかし、Meltdownでは、投機的実行によって「禁止されているデータ」を読み、それを副作用（キャッシュ）から推測できてしまうのです。

攻撃の流れ

1. ユーザープロセスがカーネルメモリ（禁止領域）を読もうとする。

通常ならアクセス違反（例外）となり、即座にエラーが発生する。

2. 投機的実行によって、一時的にデータを読み込む

CPUは「どうせ例外で処理が中断されるかもしれないけど、とりあえず先に進めておこう」と、カーネルメモリの値を読んでしまう。

3. 読み込んだデータをキャッシュに残す

例外が発生すると、通常のレジスタやメモリの更新はキャンセルされる。

しかし、CPUキャッシュにデータが残る。

4. キャッシュの副作用を利用して、カーネルメモリの内容を推測

攻撃者はキャッシュのアクセス速度の違いを測定し、どのデータがメモリにロードされたのかを推測する。

これにより、カーネルメモリの秘密情報（パスワード、暗号鍵など）を取得できてしまう。

3. なぜキャンセル処理の不備が問題なのか？

投機的実行で間違った予測をした場合、CPUはその処理をキャンセルする仕組みになっている。

しかし、「キャッシュの内容まではキャンセルされない」という設計上の問題があった。

その結果、「本来ユーザーがアクセスできないデータ」でも、キャッシュに残ってしまえば推測できるという脆弱性につながった。

対策

カーネルメモリをユーザー空間から完全に分離し、アクセスできなくする。

ただし、CPUの処理コストが増加し、パフォーマンスが低下する可能性がある。

CPUのハードウェア修正

近年のIntel CPUやAMD CPUでは、投機的実行の影響を受けにくい設計に変更された。

OSパッチ適用

Linux, Windows, macOS などのOSは ソフトウェアレベルでの保護 を追加した。