内存不刷新会怎样？内存的物理攻击和旁路攻击
美国经济学家泰勒·科文2011年在《大停滞》中断言，人们已经摘完“所有低垂的果实”。同样的情况也发生在黑客界，曾经轻轻松松在充满漏洞的Windows上任意胡为的时代一去不复返了，Windows 10的自动更新甚至让大部分杀毒软件都成了摆设，系统的漏洞很快就可以得到弥补。在Windows和Linux操作系统上寻找漏洞越来越困难，黑客们慢慢地把目标瞄准了BIOS/固件甚至是硬件这些难啃的骨头。在BIOS界，安全问题已经变成重中之重。在发现漏洞后，如何像win10操作系统一样用push的方法分发漏洞补丁给所有的电脑用户，这个问题在考验安全专家的智慧。
在我脑海里，黑客们的画面是一群躲在小房间里，在沙发上一边往嘴里塞垃圾食物，一边不停诅咒的Nerd。长时间的缺乏锻炼和闭关，让他们都变成了不修边幅的大胖子。唯有如此，他们才能熬过漫长的黑夜，研究汇编代码，不停地尝试寻找漏洞。但我必须承认，在知道了他们充满创意的物理攻击和旁路攻击手段，让这种印象一扫而光。尽管他们让我的工作变得更加困难，还是得承认，他们充满创意，可以说是十分酷了。今天我就来给大家介绍两种典型的和内存相关的攻击和防守手段：一种是物理攻击cold boot，把内存迅速拔下，插到另一个内存读取器来分析密码等关键数据；一种是旁路攻击，也就是著名的row hammer。
ColdBook攻击
等等，拔下内存，内存没电内容不是丢失了吗，何来读取出来呢？DRAM能够存贮数据，实际上它的内存单元可以看作一个个小电容：
每个单元由一个电容和一个晶体管组成。电容负责存储，充过电时是1，没充过电是0，这就是内存是如何存储数据的。晶体管是个开关，用于选中该电容。正是因为内存每个单元如此简单，才能如此大规模组织起来，形成低价而密度很高的内存颗粒。
电容的问题是会慢慢放电(fading)，这个过程叫做Decay：
所以要过一段时间就充电。JEDEC规定每过64ms就要refresh一次，也就是充电一次，这个由内存控制器来完成。这个64ms实际上是个余量非常大的时间间隔，你有没有想过如果我们不给内存刷新会发生什么？有人做过一个实验（参考资料1）：
内存的Decay[Halderman et al., Lest We Remember: Cold Boot Attacks on Encryption Keys, 2008]
一张蒙娜丽莎的灰度图像，不刷新（充电），在间隔5秒、30秒、60秒和5分钟后读出来的样子，可以看到5秒钟后读出来，几乎看不出来有什么损失，甚至在1分钟后还可以勉强看出原理的样子，5分钟后才变成了黑白条（想想为什么不是全黑？）。也就是5秒钟，我们把这个内存从内存条拔下来，插到另一个内存读取器上就可以读出几乎全部内容！令安全问题雪上加霜的是，电容的放电过程随温度降低而下降，Decay的过程也随之变慢：
这是一个不冷冻（红框）和冷冻到零下50度（绿框）的数据错误对照表。可以看出60秒后，数据错误从41%下降到0，甚至在300秒（5分钟）后，数据错误率也只有0.000095，几乎可以忽略。于是一个天才的物理攻击计划产生了：
1.你在笔记本计算机上输入了银行密码。黑客派出美女把你吸引到另一个房间：
2. 你在丧失理智之前，聪明的锁住了电脑。因为你知道你有开机密码和Windows密码，而密码绝对安全，没人可以在不关机的情况下进入Windows。Bitlocker可以保证硬盘被拿走也没用。这下可以看看美女到底想干啥。
3.黑客物理上得到了你的笔记本。他拿出了小小的冷冻喷罐：
4. 轻轻松松把内存冷冻后，取下放入冷罐：
5. 换上一个另一个内存在笔记本上。冷冻的内存拿到另外一个地方进行分析：
6. 你回来发现电脑死机了，同时似乎有点水汽。哪来的水呢？你陷入了深深的思索。
7. 黑客从内存中导出（dump）所有的内容。开始脱机分析，找到被加密的密码，开始解密(详见参考资料1，也比较有意思)。
8. 未来的某天，你的账号金钱莫名失踪，你欲哭无泪。
作为意志不坚定的我，想想就脊背发凉。如何防止这种物理攻击呢，不近女色？其实还有更好的办法，TPM组织提出了MOR特性。其原理是启动后，操作系统发现内存有秘密后，会让硬件锁住内存，这种锁住，只有在同一台机器上再次启动该操作系统才能解开，而BIOS在下次开机后会把所有内存清零。这下轮到黑客欲哭无泪了。
Row Hammer
别被名字欺骗，Row hammer并不是物理工具，而是旁路攻击：
内存单元密密麻麻挤在一起：
Row Hammer的原理是：我们访问某个Row后，会在它周围形成电场，会让它周围的Row的内容decay变快。如果我们大量重复访问该Row，它的旁边row decay会变得快到64ms的刷新频率都赶不上，从而我们可以改变旁边的row的内容。这就是Row Hammer名字的由来：就像用锤子反复砸某个Row。
也许你会说既然可以访问内存，干嘛不直接访问/修改想要改变的内存呢？也许黑客程序只有Ring 3的访问级别，而目标内存优先级比较高；也许目标内存在trust zone或者SGX内存中，只能旁敲侧击。
业界有很多方法来对付row hammer。一个简单的办法就是加快刷新速度，例如提高到32ms等，但提高刷新速度会提高功耗，加上内存单元随着制程的改善，越来越近，加剧了各个row之间的影响。还有很多更巧妙地办法，例如参考资料2的方法和TRR（Target Row Refresh）方法，具体细节感兴趣的同学可以参看相关资料。
结语
普通电脑用户也许永远也注意不到，一场没有硝烟的战争正在发生，矛在升级，盾也在变厚，黑客和安全专家的斗争也许永远都不会停止。我有时在想，为什么小时候手上拿着鞭炮扔着放，一点也不担心，现在却是远远不敢了。也许是知道了失误的后果，所谓无知者无畏，也就是如此罢。我在知乎上看到很多人讨论如何关掉Win10自动升级，说实话真提他们担心，他们知道这样做的后果吗？
参考资料
[1]: https://jhalderm.com/pub/papers/coldboot-cacm09.pdf
[2]: https://www.semanticscholar.org/topic/Row-hammer/701344
[3]: https://arxiv.org/pdf/1902.04444.pdf