[논문 리뷰] Frontal Attack: Leaking Control-Flow in SGX via the CPU Frontend

Ivan Puddu, Moritz Schneider외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 23.

Security and Verification in Computing참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인텔 SGX 기반 프로세서에서 CPU 프론트엔드 명령어 취득 및 사전 디코딩 동작을 악용하여 바이트 수준의 제어 흐름 정보를 泄露하는 새로운 타이밍 사이드 채널인 Frontal 공격를 제시한다. 명령어 정렬의 16으로 나눈 나머지와 가상 주소에 연결된 타이밍 변동성을 관찰함으로써, 기존 방어 조치를 우회하고 10세대 이전의 모든 인텔 CPU에서 테스트된 암호화 라이브러리의 균형 잡힌 분기에서 99% 이상의 성공률로 비밀 정보를 추출한다.

ABSTRACT

We introduce a new timing side-channel attack on Intel CPU processors. Our Frontal attack exploits timing differences that arise from how the CPU frontend fetches and processes instructions while being interrupted. In particular, we observe that in modern Intel CPUs, some instructions' execution times will depend on which operations precede and succeed them, and on their virtual addresses. Unlike previous attacks that could only profile branches if they contained different code or had known branch targets, the Frontal attack allows the adversary to distinguish between instruction-wise identical branches. As the attack requires OS capabilities to set the interrupts, we use it to exploit SGX enclaves. Our attack further demonstrates that secret-dependent branches should not be used even alongside defenses to current controlled-channel attacks. We show that the adversary can use the Frontal attack to extract a secret from an SGX enclave if that secret was used as a branching condition for two instruction-wise identical branches. We successfully tested the attack on all the available Intel CPUs with SGX (until 10th gen) and used it to leak information from two commonly used cryptographic libraries.

연구 동기 및 목표

• 인텔 CPU에서 발생하는 새로운 타이밍 사이드 채널을 식별하고, 이를 활용하여 CPU 프론트엔드를 통해 제어 흐름 정보를 泄露하는 것.
• 완벽하게 균형 잡힌 분기조차도 이 새로운 채널을 통해 식별 가능함을 보여주는 것.
• 기존의 캐시 및 분기 예측 유닛(BPU) 기반 사이드 채널 공격에 대한 방어 조치가 이 새로운 프론트엔드 기반 타이밍 채널에 대해 무력화됨을 보여주는 것.
• 실제 암호화 라이브러리인 mbedTLS와 Intel IPP에서 비밀 정보를 추출하여 공격의 실용성을 검증하는 것.
• SGX 에이클레이브 내에서 비밀에 의존하는 분기 구조를 제거하는 것이 근본적인 방어 수단이 되어야 한다고 주장하는 것.

제안 방법

• CPU 프론트엔드의 명령어 취득 및 사전 디코딩 논리에 의해 발생하는 명령어 실행 시간의 변동성을 관찰하며, 특히 명령어 정렬의 16으로 나눈 나머지와 가상 주소에 따라 달라지는 특성에 초점을 맞춘다.
• 운영체제 수준의 인터럽트 제어를 활용하여 에이클레이브 실행 중 정밀한 타이밍 차이를 측정함으로써 제어 흐름의 고해상도 프로파일링을 가능하게 한다.
• 비밀 값에 따라 제어 흐름 결과만 다를 뿐 명령어적으로 동일한 분기를 대상으로 하며, 타이밍을 통해 거쳐간 경로를 추론한다.
• 운영체제 스케줄러와 인터럽트 처리를 제어하여 CPU 프론트엔드의 타이밍 사이드 채널을 관찰함으로써 SGX 에이클레이브에 공격을 적용한다.
• 통제된 인터럽트와 메모리 쓰기 연산을 조합하여 명령어 처리 중 미세한 타이밍 차이를 증폭하고 탐지한다.
• 프로토타입 구현을 통해 10세대 이하의 모든 인텔 CPU에 대해 SGX 지원이 있는 모든 인텔 CPU에서 공격를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CPU 프론트엔드 명령어 취득 및 사전 디코딩 논리의 타이밍 차이를 활용하여 SGX 에이클레이브 내에서 제어 흐름 정보를 泄露할 수 있는가?
• RQ2 명령어적으로 동일하고 균형 잡힌 분기일 경우, 비밀에 의존하는 분기들을 얼마나 정확히 식별할 수 있는가?
• RQ3 기존의 캐시 및 BPU 기반 사이드 채널 공격에 대한 방어 조치가 이 새로운 프론트엔드 기반 타이밍 채널에 대해 효과가 있는가?
• RQ4 이 공격의 실용성과 성공률은 SGX 내 실질적인 암호화 라이브러리에 대해 얼마나 높은가?
• RQ5 이 공격의 효과성은 다양한 인텔 CPU 마이크로아키텍처 간에 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• Frontal 공격는 SGX 에이클레이브에서 바이트 수준의 제어 흐름 정보를 泄露하는 데 99% 이상의 성공률을 기록한다.
• 이 공격는 10세대 이하의 모든 인텔 CPU에서 효과적이며, 광범위한 취약성을 확인한다.
• 완벽하게 균형 잡힌 분기조차도 명령어 정렬의 16으로 나눈 나머지에 기반한 CPU 프론트엔드 타이밍 변동성으로 인해 식별 가능하다.
• 이 공격는 가상 주소와 명령어 사전 디코딩에 연결된 타이밍 차이를 악용하며, 이는 이전에 사이드 채널 공격에서 활용되지 않은 메커니즘이다.
• 이 공격는 널리 사용되는 두 암호화 라이브러리인 mbedTLS와 Intel IPP 암호화 라이브러리에서 비밀 정보를 성공적으로 추출하였다.
• BPU 정리나 명령어 무작위화와 같은 방어 조치는 Frontal 공격에 효과가 없으며, 이는 캐시나 분기 예측과 무관하게 CPU 프론트엔드 수준에서 작동하기 때문이다.