[論文レビュー] TeleHammer : A Stealthy Cross-Boundary Rowhammer Technique

Zhi Zhang, Yueqiang Cheng+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Security and Verification in Computing参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、ソフトウェアオンリーデファレンスを回避するためにハードウェア機能を活用し、メモリ境界を越えて被害者となる行をハンマーする、新しいローハムマー攻撃であるTeleHammerを紹介している。具体的には、ページテーブル変換を活用して、保護されたカーネルレベルのページテーブルエントリ（PTE）にビットフラップを引き起こす。従来のPeriHammer攻撃とは異なり、直接ハンマー行にアクセスする必要がなく、ユーザーカーネル境界を越えて静かに動作するため、硬化されたシステムにおける特権昇格が可能である。

ABSTRACT

Rowhammer exploits frequently access specific DRAM rows (i.e., hammer rows) to induce bit flips in their adjacent rows (i.e., victim rows), thus allowing an attacker to gain the privilege escalation or steal the private data. A key requirement of all such attacks is that an attacker must have access to at least part of a hammer row adjacent to sensitive victim rows. We refer to these rowhammer attacks as PeriHammer. The state-of-the-art software-only defences against PeriHammer attacks is to make such hammer rows inaccessible to the attacker. In this paper, we question the necessity of the above requirement and propose a new class of rowhammer attacks, termed as TeleHammer. It is a paradigm shift in rowhammer attacks since it crosses memory boundary to stealthily rowhammer an inaccessible row by virtue of freeloading inherent features of modern hardware and/or software. We propose a generic model to rigorously formalize the necessary conditions to initiate TeleHammer and PeriHammer, respectively. Compared to PeriHammer, TeleHammer can defeat the advanced software-only defenses, stealthy in hiding itself and hard to mitigate. To demonstrate the practicality of TeleHammer and its advantages, we have created a TeleHammer's instance, called PThammer, which leverages the address-translation feature of modern processors. We observe that a memory access can induce a fetch of a Level-1 page-table entry (PTE) from memory and thus cause hammering the PTE once. To achieve a high hammer-frequency, we flush relevant TLB and cache effectively and efficiently. To this end, PThammer can cross user-kernel boundary to rowhammer rows occupied by Level-1 PTEs and induce bit flips in adjacent victim rows that also host Level-1 PTEs. We have exploited PThammer to defeat advanced software-only defenses in bare-metal systems.

研究の動機と目的

• ハンマー行への直接アクセスがローハムマー攻撃に必要であるという仮定に挑戦すること。
• 攻撃者からハンマー行が分離されていると仮定するソフトウェアオンリーデファレンスの限界を解決すること。
• 既存のハードウェアメカニズムを活用してメモリ境界を越えて動作する新しいクラスのローハムマー攻撃—TeleHammer—の設計および実装を行うこと。
• 現代のプロセッサに内蔵されたアドレス変換機能を活用することで、高度なソフトウェアオンリーデファレンスをくぐり抜けること。

提案手法

• 一般的なモデルを用いて、TeleHammerおよびPeriHammer攻撃の成立条件を形式化し、両者の動作境界を明確にすること。
• 現代のプロセッサに内蔵されたアドレス変換メカニズムを活用して、レベル1ページテーブルエントリ（PTE）をフェッチするメモリアクセスを引き起こし、隣接するPTE行にローハムマー効果を引き起こすこと。
• TLBおよびキャッシュをフラッシュすることでハンマリング頻度を向上させ、被害者行に一貫したビットフラップを誘発すること。
• 通常、ユーザースペースからのアクセスが禁止されているカーネルメモリ内のレベル1 PTE を被害者行として標的にすること。
• メモリアクセスの内在的フリーローディング動作とページテーブル走査を活用して、ハンマー行への直接アクセスなしにローハムマーを開始すること。
• PThammerをプロトタイプ実装として実装し、ハードウェア変更なしに標準プロセッサ機能のみで、バーメタルシステム上で境界を越えたローハムマー攻撃を実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェアのアドレス変換機能を活用することで、ハンマー行への直接アクセスがなくてもローハムマー攻撃を実行できるか？
• RQ2 メモリ境界を越えて、ハードウェアによって誘発されるローハムマー効果を用いて、既存のソフトウェアオンリーデファレンスを回避できるか？
• RQ3 現代のシステムにおいて、静かで境界を越えたローハムマー攻撃が成功するための必要な条件は何か？
• RQ4 キャッシュおよびTLBの管理によって、ビットフラップの頻度と信頼性をどの程度向上させられるか？
• RQ5 カーネルが保護するメモリ領域、例えばレベル1 PTE は、間接的なローハムマー技術によって標的とできるか？

主な発見

• TeleHammerは、ページテーブル参照中に引き起こされるメモリアクセスパターンを活用することで、攻撃者にアクセス不可能な被害者行にビットフラップを誘発することに成功した。
• PThammerプロトタイプは、ハードウェア変更なしに、標準プロセッサ機能のみでユーザーカーネル境界を越えたローハムマー攻撃が実現可能であることを実証した。
• TLBおよびキャッシュをフラッシュすることで、PThammerは隣接するPTE行に確実にビットフラップを誘発するのに十分な高いハンマリング頻度を達成した。
• 攻撃は、ハンマー行がユーザースペースから分離されていると仮定する高度なソフトウェアオンリーデファレンスを無効にした。
• 既存のフリーローディングハードウェアメカニズムを活用することで、静かに動作し、従来の緩和対策を回避できた。
• 結果から、従来の攻撃ベクトルが遮断されても、現代のシステムがローハムマー攻撃に対して依然として脆弱であることが確認された。