[論文レビュー] New Models for Understanding and Reasoning about Speculative Execution Attacks

Zecheng He, Guangyuan Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スペクルティブ実行攻撃（Spectre や Meltdown など）を体系的に分析するための、トポロジカルソートに基づく新しい攻撃グラフモデルを提案する。攻撃の根本的原因は、承認操作とアクセス操作の間の重要な順序制約（セキュリティ依存関係）が欠落していることであると特定し、このモデルを用いて既存の防御を統合・説明・一般化するとともに、新たな脆弱性の発見を可能にする。

ABSTRACT

Spectre and Meltdown attacks and their variants exploit hardware performance optimization features to cause security breaches. Secret information is accessed and leaked through covert or side channels. New attack variants keep appearing and we do not have a systematic way to capture the critical characteristics of these attacks and evaluate why they succeed or fail. In this paper, we provide a new attack-graph model for reasoning about speculative execution attacks. We model attacks as ordered dependency graphs, and prove that a race condition between two nodes can occur if there is a missing dependency edge between them. We define a new concept, "security dependency", between a resource access and its prior authorization operation. We show that a missing security dependency is equivalent to a race condition between authorization and access, which is a root cause of speculative execution attacks. We show detailed examples of how our attack graph models the Spectre and Meltdown attacks, and is generalizable to all the attack variants published so far. This attack model is also very useful for identifying new attacks and for generalizing defense strategies. We identify several defense strategies with different performance-security tradeoffs. We show that the defenses proposed so far all fit under one of our defense strategies. We also explain how attack graphs can be constructed and point to this as promising future work for tool designers.

研究の動機と目的

• スペクルティブ実行攻撃をモデリングし推論するための体系的フレームワークの欠如に対処すること。
• 観察可能なサイドチャnelを越えて、スペクルティブ実行脆弱性の根本的要因を特定すること。
• 学術界および産業界で提唱された多様な防御戦略を、一つの理論的モデルで統合すること。
• 形式的な攻撃グラフ構築を用いて、新たな攻撃および脆弱性を体系的に発見すること。
• ハードウェアセキュリティ解析におけるツール開発のための形式的で一般化可能なモデルを提供すること。

提案手法

• スペクルティブ実行攻撃を順序付けられた依存関係グラフとして表現するための『トポロジカルソートグラフ（TSG）』モデルを提案する。
• 『セキュリティ依存関係』を、承認操作とその後続の操作（アクセス、使用、送信）の間の必須順序制約として定義する。
• TSGにおける欠落したエッジが、承認とアクセスの間のレースコンディションに対応しており、これが攻撃を可能にすることを証明する。
• Spectre および Meltdown 攻撃をTSGでモデル化し、Meltdown はインラインナーサブインstruction依存関係に依存するのに対し、Spectre はインターリンスラクション依存関係に依存することを示す。
• セキュリティ依存関係の強制に基づく防御戦略を導出し、パフォーマンスとセキュリティのトレードオフに応じて分類する。
• 産業界および学術界で知られているすべての既存防御が、提案された防御戦略のいずれかにマッピング可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる実装を持つにもかかわらず、すべてのスペクルティブ実行攻撃に共通する構造的特徴は何であるか？
• RQ2 サイドチャnel漏洩を超えて、スペクルティブ実行脆弱性の根本的原因を形式的にモデリングする方法は何か？
• RQ3 特にセキュリティ依存関係が欠落していることが、これらの攻撃を可能にする役割は何か？
• RQ4 既存の防御が成功または失敗する理由を説明する統一フレームワークを導出できるか？
• RQ5 このモデルを用いて、新たな攻撃を体系的に発見し、効果的で一般化可能な防御を設計するにはどうすればよいか？

主な発見

• 攻撃グラフにおける欠落したエッジが、承認とアクセスの間のレースコンディションと厳密に同等であることが形式的に証明され、これがスペクルティブ実行攻撃の根本的原因である。
• 『セキュリティ依存関係』—承認とアクセス／使用／送信操作の間の必須順序—という新しいハードウェアセキュリティのプリミティブが導入される。
• モデルは、Meltdown 型攻撃がインサブインストラクションのマイクロアーキテクチャ的依存関係に依存するのに対し、Spectre 型攻撃はインターリンスラクション依存関係のみに依存することを明らかにし、脆弱性検出を簡略化する。
• 学術界および産業界で知られているすべての既存防御が、攻撃グラフモデルから導出された4つの防御戦略のいずれかの例であることが示された。
• 攻撃グラフモデルにより、新たな攻撃の体系的構築が可能となり、ハードウェア・ソフトウェアシステムにおける脆弱性検出のための自動化ツールの基盤が提供される。
• 理論的フレームワークは、Spectre および Meltdown の攻撃グラフを構築することで検証され、すべての既知の変種へ一般化可能であることが示された。