[論文レビュー] HybCache: Hybrid Side-Channel-Resilient Caches for Trusted Execution Environments

Ghada Dessouky, Tommaso Frassetto+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2019

Security and Verification in Computing参考文献 67被引用数 30

ひとこと要約

HybCacheは、Intel SGX やARM TrustZone などの隔離実行ドメインにのみサイドチャnel耐性のあるキャッシュ動作を選択的に適用するハイブリッドキャッシュアーキテクチャを提案する。非隔離ワークロードに対しては従来のキャッシュパフォーマンスを維持する。隔離領域ではセットアソシエイティビティを無効にし、ランダムリプレースメントを採用することで、コンテンツベースおよびアクセスベースのキャッシュサイドチャネル攻撃を効果的に防ぐ。セキュリティに重要なコードではパフォーマンスオーバーヘッドが3.5–5%にとどまる。

ABSTRACT

Modern multi-core processors share cache resources for maximum cache utilization and performance gains. However, this leaves the cache vulnerable to side-channel attacks, where timing differences in shared cache behavior are exploited to infer information on the victim's execution patterns, ultimately leaking private information. The root cause for these attacks is mutually distrusting processes sharing cache entries and accessing them in a deterministic manner. Various defenses against cache side-channel attacks have been proposed. However, they either degrade performance significantly, impose impractical restrictions, or can only defeat certain classes of these attacks. More importantly, they assume that side-channel-resilient caches are required for the entire execution workload and do not allow to selectively enable the mitigation only for the security-critical portion of the workload. We present a generic mechanism for a flexible and soft partitioning of set-associative caches and propose a hybrid cache architecture, called HybCache. HybCache can be configured to selectively apply side-channel-resilient cache behavior only for isolated execution domains, while providing the non-isolated execution with conventional cache behavior, capacity and performance. An isolation domain can include one or more processes, specific portions of code, or a Trusted Execution Environment. We show that, with minimal hardware modifications and kernel support, HybCache can provide side-channel-resilient cache only for isolated execution with a performance overhead of 3.5-5%, while incurring no performance overhead for the remaining execution workload. We provide a simulator-based and hardware implementation of HybCache to evaluate the performance and area overheads, and show how it mitigates typical access-based and contention-based cache attacks.

研究の動機と目的

• 共有マルチコアプロセッサにおけるキャッシュサイドチャネル攻撃の増大する脅威に対処すること、特にIntel SGX やARM TrustZone などの信頼実行環境（TEE）を対象とする。
• 既存の防御策が著しいパフォーマンス劣化を引き起こす、現実的でない制限を課す、またはセキュリティ感受性にかかわらずワークロード全体を保護するといった限界を克服すること。
• 暗号化処理や機密データ処理といったセキュリティに重要なコード部分のみを隔離して、細かく選択的に保護することにより、残りのワークロードに影響を与えないようにすること。
• 複雑なコherenCeプロトコルの変更、キャッシュフラッシュ、弱い暗号関数への依存を避ける、ハードウェア効率的でアーキテクチャに依存しないソリューションを提供すること。
• 非セキュリティ関連ワークロードのパフォーマンスを損なわせることなく、実用的なサイドチャネル耐性を実現することで、キャッシュ設計におけるパフォーマンスとセキュリティのトレードオフを解消すること。

提案手法

• 非隔離実行には従来のセットアソシエイティブキャッシュを、隔離実行ドメインにはランダムで非アソシエイティブなリプレースメントポリシーを組み合わせたハイブリッドキャッシュアーキテクチャを導入する。
• 隔離領域では、任意のキャッシュラインをサブキャッシュ内の任意のウェイに配置できるようにしてセットアソシエイティビティを無効にし、予測可能なアクセスパターンを排除するためにランダムリプレースメントを採用する。
• 各ドメインごとにランダム化を行う仕組みを採用し、メモリアドレスからキャッシュセットへのマッピングを予測不能にし、アクセスごとに変化させることで、攻撃者が効果的なエヴィクションセットを構築できないようにする。
• 最小限のハードウェア変更とカーネルサポートで実装し、既存のプロセッサマイクロアーキテクチャおよびTEEと互換性を持つようにする。
• 既存の隔離境界（例：SGXエナclave やTrustZone）を活用してサイドチャネル保護の範囲を定義し、非隔離コードの振る舞いを変更せずにソフトパーティショニングを実現する。
• 非隔離ワークロードに対しては、標準的なキャッシュ動作と容量を維持することで、パフォーマンスに影響を与えないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドキャッシュアーキテクチャは、セキュリティに重要なコードにのみサイドチャネル耐性キャッシュを適用し、非重要ワークロードのパフォーマンスを完全に維持できるか？
• RQ2 完全なキャッシュパーティショニングや複雑な暗号インデキシングに依存せずに、キャッシュサイドチャネル攻撃を効果的に緩和できるか？
• RQ3 隔離実行ドメインでのみランダムリプレースメントを適用し、セットアソシエイティビティを無効にした場合のパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 提案手法は、アクセスベース攻撃（例：Prime+Probe）およびコンテンツベース攻撃（例：Flush+Reload）の両方に対して防御可能か？
• RQ5 コherenCeプロトコルやclflush命令の変更なしに、最小限のハードウェア変更でサイドチャネル耐性を実現できるか？

主な発見

• HybCacheは、セットアソシエイティビティを無効にし、ランダムリプレースメントを採用することで、隔離実行ドメイン（例：SGXエナclave やTrustZone）に対してサイドチャネル耐性を実現し、攻撃者が信頼性のあるエヴィクションセットを構築できないようにする。
• SPEC CPU2006ベンチマークスイート全体を通じて、隔離実行のパフォーマンスオーバーヘッドは3.5–5%にとどまり、セキュリティに重要なワークロードへの影響は最小限である。
• 非隔離ワークロードにはパフォーマンスオーバーヘッドが一切ない。これは、標準的なセットアソシエイティブキャッシュを用い、容量とパフォーマンスを完全に維持しているためである。
• シミュレーションおよびハードウェア評価を通じて、HybCacheがアクセスベース攻撃（例：Prime+Probe）およびコンテンツベース攻撃（例：Flush+Reload）の両方に対して有効であることが実証された。
• HybCacheは最小限のハードウェア変更で実現可能であり、コherenCeプロトコルやclflush命令の変更が不要であるため、既存のプロセッサ設計への統合が実用的である。
• このソリューションはアーキテクチャに依存せず、弱い暗号関数や頻繁な鍵再生成に依存しない。これに対して、Time-Secure Cache やCEASER といった従来のランダム化ベース手法とは異なり、より優れた実用性を有する。