为解决存储墙对处理器运算速度严重阻碍问题,各类内存级并行技术被相继提出,其中Runahead执行可提前执行流水线阻塞后的指令,使得处理器运算性能得到提升,并对流水线的修改非常小,因此在处理器微架构领域广受关注。然而,由于处理器的性能优化技术导致执行过程中秘密数据可能被恶意地提前加载到缓存,而处理器发现错误或故障再进行回滚时不能清理已被加载到缓存的数据,那么攻击者可利用隐蔽信道将数据恢复,从而造成数据泄露风险。Runahead执行是通过预取数据、指令以提升处理器性能,其可能带来的数据泄露风险不容忽视。因此,本文针对Runahead执行的安全问题开展了侧信道攻击与防御研究。首先,提出了基于Runahead执行的非瞬态和瞬态型推测执行攻击,其核心思想是攻击者提前设置处理器令其进入Runahead模式,再通过隐蔽信道恢复出Runahead模式下受害者加载到缓存上的信息。本文提出的攻击具有独特的优势:非瞬态型推测执行攻击不需要毒化组件,降低实施攻击的难度;瞬态型推测执行攻击令现实攻击中可利用的不安全的片段增加,增强了攻击的危险性。同时,攻击者可控制处理器处于Runahead模式的时间,使基于Runahead执行的推测执行攻击可以发起重放,提高了攻击的准确性。经过实验验证,Runahead执行机制确实存在安全性问题,会将数据泄露。其次,为降低Runahead执行技术泄露数据的风险并为Runahead执行的设计提供安全视角,本文设计了一种轻量级防御技术。其核心思想是新增基于进程隔离的推测加载（SL）缓存,该缓存是以地址、密钥及进程ID做为输入进行映射。当处理器加载数据时首先在推测加载缓存中搜索,若数据命中,则将该数据加载到L1缓存,若数据未命中,则接着在L1缓存中搜索,和常规的数据加载过程一样。为了降低SL缓存对性能的影响,加入计数器对放入SL缓存的数据进行统计,减少处理器对SL缓存不必要的访问。