[論文レビュー] AutoLock: Why Cache Attacks on ARM Are Harder Than You Think

Marc Green, Leandro Rodrigues-Lima+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2017

Security and Verification in Computing参考文献 25被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、ARMプロセッサの未文書化されたキャッシュ最適化であるAutoLockを明らかにした。AutoLockは、インクリューシブな最後段キャッシュラインがコア専用キャッシュに存在する際、それらのラインのクロスコアでの除外を防ぐことで、Evict+Reloadなどの除外ベースのクロスコアキャッシュ攻撃を遮断する。この障害にもかかわらず、著者らは多数決や重み付きカウントといったマルチライン観測技術を用いることで、実用的な攻撃がARM Cortex-A15のAutoLock搭載環境でも100,000回未塔の暗号化で完全な鍵回復が可能であることを示した。

ABSTRACT

Attacks on the microarchitecture of modern processors have become a practical threat to security and privacy in desktop and cloud computing. Recently, cache attacks have successfully been demonstrated on ARM based mobile devices, suggesting they are as vulnerable as their desktop or server counterparts. In this work, we show that previous literature might have left an overly pessimistic conclusion of ARM's security as we unveil AutoLock: an internal performance enhancement found in inclusive cache levels of ARM processors that adversely affects Evict+Time, Prime+Probe, and Evict+Reload attacks. AutoLock's presence on system-on-chips (SoCs) is not publicly documented, yet knowing that it is implemented is vital to correctly assess the risk of cache attacks. We therefore provide a detailed description of the feature and propose three ways to detect its presence on actual SoCs. We illustrate how AutoLock impedes cross-core cache evictions, but show that its effect can also be compensated in a practical attack. Our findings highlight the intricacies of cache attacks on ARM and suggest that a fair and comprehensive vulnerability assessment requires an in-depth understanding of ARM's cache architectures and rigorous testing across a broad range of ARM based devices.

研究の動機と目的

• 除外ベースのキャッシュ攻撃が理論的には可能であるにもかかわらず、ARMプロセッサ上で頻繁に失敗する理由を調査すること。
• インクリューシブなARM最後段キャッシュに内在する未文書化されたパフォーマンス機能であるAutoLockを逆スペックし、文書化すること。
• 実世界の攻撃シナリオにおいてAutoLockの制限を回避できる実用的な対策を開発・評価すること。
• 実際のシステムオンチップ（SoC）上でAutoLockを検出するための手法を提供し、正確な脆弱性評価を可能にすること。
• 多様なデバイスをカバーする包括的でハードウェアに配慮したARMキャッシュセキュリティ評価の推進を提言すること。

提案手法

• インクリューシブなLLCを備えたARM Cortex-A15上でキャッシュ動作を分析し、AutoLockを逆スペックすることで、AutoLockを逆スペックした。
• AutoLockの干渉を補償するための3つの緩和技術を提案した：多数決、確率フィルタ、重み付きカウント。
• スライディングウインドウを用いた除外法を、パラメータ36-6-2を設定して、キャッシュラインを体系的に除外し、リロード時間の測定を実施した。
• 各キャッシュラインのアクセス不可確率 $\tilde{P}_{na}^{l}$ を計算し、信頼性の高いラインを優先する重み付きスコア関数 $S_{l} = 1 - \frac{d_{l}}{1 - P_{na}}$ を適用した。
• 5種類の攻撃バージョンを実行した：元の同じコアおよびクロスコア攻撃に加え、3つの改良版。各攻撃をランダムな鍵を用いて100回繰り返した。
• 暗号化回数の増加に伴い、正しく回復された鍵バイトの平均数を測定することで、成功確率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的には可能であるにもかかわらず、ARMプロセッサ上で除外ベースのキャッシュ攻撃が頻繁に失敗する理由は何か？
• RQ2 AutoLockはクロスコアキャッシュ除外をどのように遮断し、キャッシュ攻撃の実用性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 マルチライン観測技術は、実世界のARMシステムにおけるAutoLockの制限を克服できるか？
• RQ4 実際のARMシステムオンチップ上でAutoLockを検出する方法は何か？ これによりセキュリティ評価がどのように向上するか？
• RQ5 AutoLockと非インクリューシブキャッシュ階層が、ARMプロセッサ上でのキャッシュ攻撃の実現可能性に及ぼす総合的な制限の程度はどの程度か？

主な発見

• AutoLockは、インクリューシブな最後段キャッシュに存在するキャッシュラインが任意のコア専用キャッシュに存在する場合、それらのラインのクロスコア除外を防ぎ、Evict+Reload、Prime+Probe、Evict+Time攻撃に深刻な影響を与える。
• AutoLock搭載のCortex-A15上で、400,000回の暗号化を経ても、元のクロスコアEvict+Reload攻撃は5バイトを超える鍵の回復に失敗した。
• AutoLockの影響を受けない同じコア攻撃は、完全な鍵回復に成功した。これは、AutoLockが特定にクロスコア相互作用を標的としていることを示している。
• 多数決および重み付きカウント技術により、同じクロスコア環境でも100,000回未塔の暗号化で完全な鍵回復が達成された。これは、AutoLockの制限を克服できる可能性を示している。
• 確率フィルタ手法も、$2^{32}$未満の複雑さのブルートフォース検索と組み合わせることで、100,000回未塔の暗号化で完全な鍵回復に成功した。
• 提案された改善手法は、AutoLock搭載プロセッサに限らず、非インクリューシブキャッシュまたはAutoLockなしのシステムに対しても有効であり、一般の攻撃の耐障害性を向上させる。