[논문 리뷰] Lord of the Ring(s): Side Channel Attacks on the CPU On-Chip Ring Interconnect Are Practical

Riccardo Paccagnella, Licheng Luo외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 05.

Security and Verification in Computing참고 문헌 89인용 수 25

한 줄 요약

본 논문은 CPU 링 인터커넥트를 이용한 칩 내 크로스-코어 사이드 채널을 실용적으로 시연하고, 최대 4.14 Mbps의 은밀 채널을 구축하며 암호키와 키스트로크 타이밍 정보를 누설한다.

ABSTRACT

We introduce the first microarchitectural side channel attacks that leverage contention on the CPU ring interconnect. There are two challenges that make it uniquely difficult to exploit this channel. First, little is known about the ring interconnect's functioning and architecture. Second, information that can be learned by an attacker through ring contention is noisy by nature and has coarse spatial granularity. To address the first challenge, we perform a thorough reverse engineering of the sophisticated protocols that handle communication on the ring interconnect. With this knowledge, we build a cross-core covert channel over the ring interconnect with a capacity of over 4 Mbps from a single thread, the largest to date for a cross-core channel not relying on shared memory. To address the second challenge, we leverage the fine-grained temporal patterns of ring contention to infer a victim program's secrets. We demonstrate our attack by extracting key bits from vulnerable EdDSA and RSA implementations, as well as inferring the precise timing of keystrokes typed by a victim user.

연구 동기 및 목표

• 이전에는 충분히 연구되지 않은 칩 내 통신 채널(링 인터커넥트)을 동기 부여하고 악용하여 은밀 채널과 사이드 채널을 가능하게 한다.
• Intel의 링 프로토콜을 역설계하여 링 인터커넥트의 자원과 경쟁 동작을 이해한다.
• 피해자로부터 암호 키 비트와 키스트로크 타이밍 정보를 추출하는 실용적 어택을 시연한다.
• 링 기반 누출에 대한 대책과 완화 방안을 시연하고 논의한다.

제안 방법

• Intel의 링 인터커넥트 프로토콜을 철저히 역설계하여 링 자원과 중재(arbitration) 동작를 매핑한다.
• 단일 스레드로 링 인터커넥트를 통한 크로스-코어 은밀 채널을 구축하여 최대 4.14 Mbps(518 KBps)를 달성한다.
• Coffee Lake 및 Skylake CPU를 대상으로 경험적 측정을 통해 링 토폴로지, 레인, 경쟁 조건을 특징화한다.
• RSA 및 EdDSA 구현에서 키 비트를 추출하고 키스트로크 타임을 추론하는 링-콘텐츠션 기반 사이드 채널 공격을 설계하고 실행한다.
• 타이밍 흔적과 기계 학습을 사용하여 링 컨텐션 신호에서 소음을 제거하고 비밀을 복구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로세스 간 CPU 링 인터커넥트에서 경쟁이 성립하는 필요충분조건은 무엇인가?
• RQ2 공유 메모리 없이 링 컨텐션을 이용하여 크로스-코어 은밀 채널을 만들 수 있는가?
• RQ3 링 컨텐션 누출을 악용하여 RSA 및 EdDSA 구현에서 암호키를 회수할 수 있는가?
• RQ4 링 컨텐션 패턴에서 키스트로크 타이밍 정보를 추론할 수 있는가?
• RQ5 링 기반 사이드 채널을 효과적으로 감소시키거나 방지하는 완화책은 무엇인가?

주요 결과

• 링 인터커넥트 토폴로지는 서로 다른 패킷 타입을 제공하는 네 개의 서브링을 갖는 두 개의 독립적인 레인으로 구성된다.
• 공유 메모리 없이 단일 스레드로 최대 4.14 Mbps(518 KBps)의 크로스-코어 은밀 채널이 시연된다.
• 링 컨텐션 신호는 피해자의 부하와 상관 관계를 보이며, 적대적 스케줄링 하에서 개인 정보를 추정하는 데 사용될 수 있다.
• 경쟁은 보내는 쪽과 받는 쪽 트래픽이 겹치는 링 구간을 같은 방향으로 이동하고 우선순위 규칙이 적용될 때 특정 조건 하에서 발생한다.
• 링 컨텐션의 스파이크로부터 키스트로크 타이밍을 추론할 수 있어 타이밍 기반 누출이 가능하다.
• 저자들은 공격이 성공하는 시점을 설명하는 경쟁 조건의 구조화된 형식화와 관찰된 링 동작을 제공한다.