[論文レビュー] Randomized Last-Level Caches Are Still Vulnerable to Cache Side-Channel Attacks! But We Can Fix It

Wei Song, Boya Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 63被引用数 51

ひとこと要約

この論文は、CEASER-S や ScatterCache などのランダム化された最後段キャッシュ（LLC）防御に深刻な脆弱性があることを特定し、攻撃者がキャッシュフラッシュ命令と部分的排除集合を活用することでリマップ保護を回避できることを示している。本稿では、排除に基づくリマップタイミング、マルチステップ移動、攻撃検出を含む修正策を提案しており、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドでランダム化されたセットアソシエイティブキャッシュを安全に保てる可能性を示している。

ABSTRACT

Cache randomization has recently been revived as a promising defense against conflict-based cache side-channel attacks. As two of the latest implementations, CEASER-S and ScatterCache both claim to thwart conflict-based cache side-channel attacks using randomized skewed caches. Unfortunately, our experiments show that an attacker can easily find a usable eviction set within the chosen remap period of CEASER-S and increasing the number of partitions without dynamic remapping, such as ScatterCache, cannot eliminate the threat. By quantitatively analyzing the access patterns left by various attacks in the LLC, we have newly discovered several problems with the hypotheses and implementations of randomized caches, which are also overlooked by the research on conflict-based cache side-channel attack. However, cache randomization is not a false hope and it is an effective defense that should be widely adopted in future processors. The newly discovered problems are corresponding to flaws associated with the existing implementation of cache randomization and are fixable. Several new defense techniques are proposed in this paper. our experiments show that all the newly discovered vulnerabilities of existing randomized caches are fixed within the current performance budget. We also argue that randomized set-associative caches can be sufficiently strengthened and possess a better chance to be actually adopted in commercial processors than their skewed counterparts as they introduce less overhaul to the existing cache structure.

研究の動機と目的

• ランダム化されたスケュークキャッシュ防御における、これまで無視されてきた脆弱性を特定・分析すること。
• 現在のランダム化キャッシュ設計の根幹にある仮定、特に排除集合の発見とリマップ周期の推定に関する仮定に疑問を呈すること。
• 実用的で低オーバーヘッドの防御メカニズムを提案し、実世界への展開に耐えるランダム化セットアソシエイティブキャッシュを強化すること。
• 将来のセキュアプロセッサ設計において、スケュークキャッシュよりもセットアソシエイティブキャッシュがより実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 実際の攻撃表面を反映するために、総アクセス数ではなくLLCの除外数に基づいてリマップ周期を測定する。
• ZCacheに類似したマルチステップ移動を実装し、リマップ中のキャッシュブロック除外を減らす。
• 除外集合探索中のプローブパターンを特定するための軽量なハードウェアベースの攻撃検出メカニズムを導入する。
• リマップ周期をさらに短縮することで、部分的に同値な除外集合の発見を防ぐ。
• ハードウェアオーバーヘッドが低く、セキュリティ拡張性に優れるため、CEASER風のランダム化セットアソシエイティブキャッシュをスケュークキャッシュよりも推奨する。
• 実際のワークロードを想定してパフォーマンスとセキュリティのトレードオフを評価するため、Spikeシミュレーションを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ動的リマップとスケューイングを採用しているにもかかわらず、CEASER-S や ScatterCache といった既存のランダム化スケュークキャッシュは依然として脆弱なのか？
• RQ2 キャッシュフラッシュ命令と部分的同値性は、ランダム化キャッシュにおける除外集合の発見可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 LLCアクセス回数を用いてリマップ周期を推定する方法の欠陥は何か？そして、どのように是正できるか？
• RQ4 スケュークキャッシュと比較して、許容可能なパフォーマンスオーバーヘッドでランダム化セットアソシエイティブキャッシュを安全に保てるか？
• RQ5 過度なハードウェアコストを伴わずに、新たに発見された脆弱性を効果的に閉じる防御技術は何か？

主な発見

• 攻撃者はキャッシュフラッシュ命令を繰り返し利用することで、部分的に同値な除外集合を活用し、効果的な集合を発見するまでの時間を著しく短縮できる。
• ランダム化スケュークキャッシュでは、最小除外集合の概念がもはや成立しなくなる。合理的な除外確率を持つ任意の集合が利用可能になる。
• 総LLCアクセス数に基づいてリマップ周期を測定すると、L1/L2キャッシュが多数のアクセスをフィルタリングするため、楽観的な見積もりが得られてしまう。
• 実際のリマップ間のLLC除外数は、総アクセス数に比べて著しく低いことが判明し、現在のリマップ周期計算は無効である。
• 既存のランダム化キャッシュに発見されたすべての脆弱性は、提案手法を用いることで、現在のパフォーマンス予算内で修正可能である。
• ハードウェアオーバーヘッドが低く、セキュリティ拡張性に優れるため、CEASER などのランダム化セットアソシエイティブキャッシュは、商業的採用に適している。