Caches are used to reduce the speed differential between the CPU and memory to improve the performance of modern processors. However, attackers can use contention-based cache timing attacks to steal sensitive information from victim processes through carefully designed cache eviction sets. And L1 data cache attacks are widely exploited and pose a significant privacy and confidentiality threat. Existing hardware-based countermeasures mainly focus on cache partitioning, randomization, and cache line flushing, which unfortunately either incur high overhead or can be circumvented by sophisticated attacks. In this paper, we propose a novel hardware-software co-design called BackCache with the idea of always achieving cache hits instead of cache misses to mitigate contention-based cache timing attacks on the L1 data cache. BackCache places the evicted cache lines from the L1 data cache into a fully-associative backup cache to hide the evictions. To improve the security of BackCache, we introduce a randomly used replacement policy (RURP) and a dynamic backup cache resizing mechanism. We also present a theoretical security analysis to demonstrate the effectiveness of BackCache. Our evaluation on the gem5 simulator shows that BackCache can degrade the performance by 1.33%, 7.34%, and 7.59% For OS kernel, single-thread, and multi-thread benchmarks.


翻译:缓存用于缩小CPU与内存之间的速度差异,以提升现代处理器的性能。然而,攻击者可以通过精心设计的缓存驱逐集,利用基于竞争的缓存时序攻击窃取受害者进程中的敏感信息。其中,L1数据缓存攻击被广泛利用,构成了严重的隐私和机密性威胁。现有基于硬件的防御措施主要聚焦于缓存分区、随机化以及缓存行刷新,但这些方法要么开销较高,要么可被复杂攻击绕过。本文提出一种名为BackCache的新型软硬件协同设计,其核心理念是通过始终实现缓存命中而非缓存未命中,来缓解针对L1数据缓存的基于竞争的缓存时序攻击。BackCache将L1数据缓存中被驱逐的缓存行存入一个全相联备份缓存,从而隐藏驱逐行为。为提升BackCache的安全性,我们引入了随机使用替换策略(RURP)和动态备份缓存大小调整机制。同时,我们提供了理论安全分析来证明BackCache的有效性。在gem5模拟器上的评估表明,对于操作系统内核、单线程和多线程基准测试,BackCache的性能开销分别为1.33%、7.34%和7.59%。

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