[논문 리뷰] A Reconnaissance Attack Mechanism for Fixed-Priority Real-Time Systems

Chien-Ying Chen, AmirEmad Ghassami외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 07.

Real-Time Systems Scheduling참고 문헌 32인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 시스템 동작을 변경하지 않고도 CPU 활용도 패턴을 분석하여 고정 우선순위 실시간 시스템의 정확한 스케줄을 복원하는 새로운 침투 공격인 ScheduLeak을 제시한다. 이 방법은 실행 시간 변동성에도 불구하고 높은 정밀도(평균 95% 정확도)를 달성하여 예측 가능한 작업 타이밍을 악용해 후속 사이드채널 공격을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In real-time embedded systems (RTS), failures due to security breaches can cause serious damage to the system, the environment and/or injury to humans. Therefore, it is very important to understand the potential threats and attacks against these systems. In this paper we present a novel reconnaissance attack that extracts the exact schedule of real-time systems designed using fixed priority scheduling algorithms. The attack is demonstrated on both a real hardware platform and a simulator, with a high success rate. Our evaluation results show that the algorithm is robust even in the presence of execution time variation.

연구 동기 및 목표

• 고정 우선순위 실시간 시스템의 예측 가능성이라는 보안 취약점을 식별하고 악용하기 위해.
• 감지되지 않도록 비침습적인 방법으로 하드 실시간 시스템의 정확한 작업 스케줄을 유추하기 위해.
• 실행 시간 저자화 및 다양한 작업 수와 같은 현실적인 시스템 변동성 하에서 스케줄 복원의 타당성과 정밀도를 평가하기 위해.
• 모의 실험과 임베디드 플랫폼에서의 실제 하드웨어 배포를 통해 공격의 실용성을 입증하기 위해.
• 복원된 스케줄이 캐시 기반 타이밍 누출과 같은 고정밀 사이드채널 공격을 가능하게 할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 시스템 운영 중에 수집한 CPU 활용도 트레이스를 사용하여 작업 도착 시간과 실행 패턴을 추론한다.
• 알려진 최악의 실행 시간(WCET)을 가진 주기적 작업 집합으로 시스템을 모델링하고, 바쁜 간격 내의 작업 조합을 식별하기 위해 분해 알고리즘을 적용한다.
• ScheduLeak 알고리즘은 고정 우선순위 스케줄링의 예측 가능한 구조를 활용하여 관측된 활용도 패턴에서 정확한 작업 스케줄을 복원한다.
• 유추 품질 평가를 위해 정밀도 비율과 스케줄 복원 정확도라는 새로운 성능 지표를 도입한다.
• 다양한 시스템 파라미터(활용도, 작업 수, 실행 시간 변동성)에 대해 철저한 시뮬레이션과 실시간 운영 체제를 탑재한 하드웨어 플랫폼에서의 실제 테스트를 통해 방법을 검증한다.
• 사용 사례를 통해 복원된 스케줄이 높은 성공률로 캐시 기반 사이드채널 공격을 가능하게 하는 반면, 무작위 또는 정밀도가 낮은 타이밍을 사용하는 공격는 사용할 수 없는 노이즈가 많은 데이터를 생성함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공격자가 CPU 활용도의 수동 관찰만으로 고정 우선순위 실시간 시스템의 정확한 스케줄을 복원할 수 있는가?
• RQ2 실행 시간 변동성이 실시간 시스템에서 스케줄 유추 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 작업 수, 활용도, 바쁜 간격 길이와 같은 시스템 파라미터 중에서 스케줄 복원 성공률에 가장 큰 영향을 미치는 것은 무엇인가?
• RQ4 복원된 스케줄을 얼마나 활용해 캐시 기반 사이드채널 공격와 같은 스텔스성 공격를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 관측 지속 시간이 스케줄 유추 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실행 시간 변동성이 WCET의 80%로 설정된 경우 ScheduLeak 알고리즘이 평균 정밀도 비율 0.95를 달성하며, WCET의 60%일 경우 0.929를 기록한다.
• 작업 수가 증가할수록 바쁜 간격 분해의 조합 복잡도가 증가하여 스케줄 복원 정밀도가 감소한다.
• 낮은 활용도 시스템에서 흔한 짧은 바쁜 간격은 유의미한 도착 시간 후보 수가 제한되어 있어 유추 성공률를 낮춘다.
• 높은 시스템 활용도는 바쁜 간격 내에 더 많은 작업이 포함되어 불확실성이 증가하고, 전체 유추 정밀도가 낮아지게 한다.
• 더 긴 관측 지속 시간은 정밀도를 향상시키며, 여러 하이퍼주기 관측 시 정밀도가 증가한다.
• 복원된 스케줄은 성공적인 캐시 기반 사이드채널 공격을 가능하게 하며, 스케줄 지식이 없는 단순한 공격는 사용할 수 없는 노이즈가 많은 데이터를 생성한다.