[논문 리뷰] Did we learn from LLC Side Channel Attacks? A Cache Leakage Detection Tool for Crypto Libraries

Gorka Irazoqui, Kai Cong외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 05.

Security and Verification in Computing참고 문헌 28인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 암호 라이브러리에서의 공격 가능한 사이드채널 누출을 탐지하기 위한 사전적 캐시 누출 검출 도구를 제시한다. 이 도구는 동적 타인트 분석, 제어된 캐시 제거, 상호정보 분석을 조합하여 AES, RSA, ECC 구현에서의 실질적 누출을 식별한다. 도구 분석 결과, 이러한 공격에 대한 널리 퍼진 인식에도 불구하고 분석된 50%의 기본 암호 라이브러리 구현이 마지막 레벨 캐시를 통해 기밀 정보를 누출하고 있음을 확인했다.

ABSTRACT

This work presents a new tool to verify the correctness of cryptographic implementations with respect to cache attacks. Our methodology discovers vulnerabilities that are hard to find with other techniques, observed as exploitable leakage. The methodology works by identifying secret dependent memory and introducing forced evictions inside potentially vulnerable code to obtain cache traces that are analyzed using Mutual Information. If dependence is observed, the cryptographic implementation is classified as to leak information. We demonstrate the viability of our technique in the design of the three main cryptographic primitives, i.e., AES, RSA and ECC, in eight popular up to date cryptographic libraries, including OpenSSL, Libgcrypt, Intel IPP and NSS. Our results show that cryptographic code designers are far away from incorporating the appropriate countermeasures to avoid cache leakages, as we found that 50% of the default implementations analyzed leaked information that lead to key extraction. We responsibly notified the designers of all the leakages found and suggested patches to solve these vulnerabilities.

연구 동기 및 목표

• 최근까지 알려진 LLC 공격 위험에도 불구하고 암호 라이브러리에서 지속적으로 발생하는 캐시 사이드채널 취약성 문제를 해결하기 위해.
• 설계 시점에 실제 공격 가능한 캐시 누출을 탐지할 수 있는 자동화된, 플랫폼 독립적인 도구를 개발하기 위해.
• 암호 라이브러리 개발자가 배포 이전에 캐시 누출 결함을 사전에 식별하고 수정할 수 있도록 하기 위해.
• AES, RSA, ECC 기반의 주요 암호 라이브러리에 대한 대규모 분석을 수행하여 실제 세계에서의 누출 발생 빈도를 평가하기 위해.
• 발견한 결과를 책임감 있게 공개하고 널리 사용되는 암호 라이브러리의 보안 수준 향상에 기여하기 위해.

제안 방법

• 암호 코드 내 기밀에 의존하는 메모리 접근을 식별하기 위해 동적 타인트 분석을 적용하기 위해.
• 관찰 가능한 캐시 트레이스를 생성하기 위해, 캐시 강제 제거(예: flush-and-reload)를 코드에 삽입하기 위해.
• 실제 하드웨어에서 실행 중인 동안 저수준 캐시 접근 패턴을 기록하여 실제 공격 조건을 시뮬레이션하기 위해.
• 기밀 값과 관측된 캐시 행동 간의 의존성을 탐지하기 위한 통계적 지표로 상호정보 분석(MIA)을 사용하기 위해.
• 타인트 전파와 캐시 트레이스 패턴을 연계하여 누출 원인으로 작용하는 특정 코드 영역을 정밀하게 특정하기 위해.
• 플랫폼 전용 재구성 없이도 다양한 플랫폼과 암호 라이브러리에서 도구의 효과성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 완화 기법이 존재함에도 불구하고, 현대 암호 라이브러리가 마지막 레벨 캐시(LLC) 사이드채널 공격에 얼마나 취약한가?
• RQ2 타인트 분석과 상호정보 분석을 조합한 도구가 실제 암호 구현에서 공격 가능한 캐시 누출을 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 다양한 암호 구현 방식(예: T-테이블, S-박스, 슬라이딩 윈도우)이 주요 라이브러리에서 캐시 누출에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 검증 기법은 미세하고 비선형적인 캐시 누출 패턴을 충분히 탐지할 수 있는가, 아니면 과도한 거짓 경고를 유발하는가?
• RQ5 제안된 도구를 활용해 널리 배포된 암호 라이브러리의 취약점을 책임감 있게 공개하고 수정할 수 있는가?

주요 결과

• OpenSSL, WolfSSL, NSS, Bouncy Castle 등 다양한 라이브러리의 기본 구현 50%가 AES, RSA, ECC 기반에서 공격 가능한 캐시 누출을 보였다.
• 이 도구는 OpenSSL(T-테이블), WolfSSL, Bouncy Castle, Intel IPP 등에 포함된 12개의 기존에 알려지지 않은 캐시 누출 취약점을 발견했다.
• OpenSSL과 Libgcrypt처럼 기존에 보안 명성을 가진 라이브러리조차도 T-테이블이나 슬라이딩 윈도우 방법과 같은 최적화 기법을 사용할 경우 취약한 구현을 포함하고 있었다.
• 연구 결과, 캐시 라인 정렬과 같은 마이크로아키텍처적 세부 사항이 누출에 큰 영향을 미치며, 일부 취약성은 운영체제 수준의 데이터 비정렬에서 기인하고 있음을 밝혀냈다.
• OpenSSL의 ECC WNAF 구현에서 1.0.1 브랜치는 누출이 발견되었지만, 1.1.0 브랜치는 안전한 것으로 확인되어, 버전 기반 분석의 중요성을 입증했다.
• 책임감 있는 공개를 통해 CVE-2016-XXXX(Intel IPP), WolfSSL 및 Bouncy Castle에 대한 다수의 CVE가 할당되었으며, 패치는 이미 제공되거나 개발 중이다.