[論文レビュー] Advanced profiling for probabilistic Prime+Probe attacks and covert channels in ScatterCache

Antoon Purnal, Ingrid Verbauwhede|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Security and Verification in Computing被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、キャッシュベースの側帯域攻撃を防ぐために設計された暗号的キャッシュアーキテクチャであるScatterCacheに対する2つの高度な攻撃を提示する。8-way set-associativeキャッシュに11本のインデックスビットを用い、被害者アクセスの必要数を約2^25から2^10未塔に削減する、高度に最適化されたエビクトションセットプロファイリング技術を導入し、任意のアドレス衝突を活用する新しい確率的コベートチャネルを実証した。このコベートチャネルは、フルキャッシュエビクトション手法よりも高い帯域幅を達成しながらも、ランダム化されたキャッシュにおいても有効であることを示した。

ABSTRACT

Timing channels in cache hierarchies are an important enabler in many microarchitectural attacks. ScatterCache (USENIX 2019) is a protected cache architecture that randomizes the address-to-index mapping with a keyed cryptographic function, aiming to thwart the usage of cache-based timing channels in microarchitectural attacks. In this note, we advance the understanding of the security of ScatterCache by outlining two attacks in the noise-free case, i.e. matching the assumptions in the original analysis. As a first contribution, we present more efficient eviction set profiling, reducing the required number of observable victim accesses (and hence profiling runtime) by several orders of magnitude. For instance, to construct a reliable eviction set in an 8-way set associative cache with 11 index bits, we relax victim access requirements from approximately $2^{25}$ to less than $2^{10}$ . As a second contribution, we demonstrate covert channel profiling and transmission in probabilistic caches like ScatterCache. By exploiting arbitrary collisions instead of targeted ones, our approach significantly outperforms known covert channels (e.g. full-cache eviction).

研究の動機と目的

• 鍵付き暗号関数を用いてアドレスからインデックスへのマッピングをランダム化する、保護されたキャッシュアーキテクチャであるScatterCacheのセキュリティ仮定に挑戦すること。
• 被害者アクセスの必要数を最適化することで、Prime+Probe攻撃におけるエビクトションセットプロファイリングの計算コストを低減すること。
• 鍵付き暗号的ランダム化を用いるキャッシュアーキテクチャにおいても、コベートチャネルの構築と利用が可能であることを実証すること。
• 強力なランダム化が施されていながらも、ノイズのない条件下ではサイドチャネルおよびコベートチャネル攻撃が依然として有効であることを示すこと。
• 将来の保護キャッシュシステムにおける攻撃者努力とコベートチャネル容量の上限に関する形式的分析の基盤を提供すること。

提案手法

• キャッシュウェイ間の衝突確率をモデル化し、統計的推論を用いることで、観測可能な被害者アクセスの必要数を削減する。これにより、従来のエビクトションセットプロファイリングを一般化する。
• 標的攻撃やフルキャッシュエビクトションに依存せず、キャッシュウェイ間の任意のアドレス衝突を活用する確率的コベートチャネルを採用する。
• 送信者アドレスのs個の独立したバケット（ビン）を用い、1ビットずつを逐次送信することで、冗長性を高め、信頼性を向上させるバインニング機構を用いる。
• 受信者が受信者アドレスを再ロードした後に遅延アクセスを数えるしきい値ベースの検出方式を採用し、送信されたビットを推定する。
• 元のScatterCache分析と同一のノイズのない仮定のもとで、プロファイリング段階と送信段階の両方をシミュレートする。
• 各キャッシュウェイを独立した確率的チャネルとみなす。1回の衝突あたりの成功確率は1/nwaysであり、パラメータf（使用するキャッシュラインの割合）とs（バケット数）を用いることで帯域幅を調整可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ScatterCacheにおけるエビクトションセットプロファイリングは、観測可能な被害者アクセスの必要数を著しく削減することで、著しく高速化可能か？
• RQ2 鍵付き暗号的ランダム化によるアドレスからインデックスへのマッピング変更を採用するキャッシュアーキテクチャにおいて、確率的コベートチャネルをどれほど構築・利用可能か？
• RQ3 ScatterCacheにおけるコベートチャネルの帯域幅と誤り率は、従来のPrime+Probeおよびフルキャッシュエビクトションに基づくコベートチャネルと比較してどう異なるか？
• RQ4 ランダム化キャッシュアーキテクチャにおいて、プロファイリングの複雑さとコベートチャネルの品質の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 ScatterCacheにおける残留攻撃表面は、攻撃者努力とチャネル容量の観点から、形式的に境界づけることができるか？

主な発見

• 提案されたプロファイリング手法により、11本のインデックスビットを有する8-way set-associativeキャッシュにおいて、観測可能な被害者アクセスの必要数が約2^25から2^10未塔にまで削減された。これは1000倍以上の削減を意味する。
• 従来のScatterCache分析で想定されていたよりも著しく低い実行時間とリソース消費量で、信頼性の高いエビクトションセット構築が可能となった。
• フルキャッシュエビクトションや標的衝突に依存せず、キャッシュウェイ間の任意の衝突を活用する、新しい確率的コベートチャネルが実証された。
• 暗号的ランダム化が施されていながらも、フルキャッシュエビクトションに基づくコベートチャネルよりも高い帯域幅を達成した。
• 誤り率と帯域幅は、パラメータf（使用するキャッシュラインの割合）とs（バケット数）を用いて調整可能であり、信頼性とスループットの間のトレードオフを実現できる。
• シミュレーション結果により、元のScatterCacheセキュリティモデルのノイズのない仮定のもとで、プロファイリング段階と送信段階の両方が実現可能であることが確認された。