[논문 리뷰] New Models for Understanding and Reasoning about Speculative Execution Attacks

Zecheng He, Guangyuan Hu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 17.

Security and Verification in Computing참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스펙터와 멜트다운과 같은 사전실행 공격을 체계적으로 분석하기 위해 위상 정렬 기반의 새로운 공격 그래프 모델을 제안한다. 이 모델은 권한 부여와 액세스 작업 간의 핵심 순서 제약 조건인 보안 의존성의 누락을 공격을 가능하게 하는 레이스 조건의 근본 원인으로 규명하며, 이를 통해 기존 방어 전략을 통합하고 설명하며 일반화하고, 새로운 취약점 탐지도 가능하게 한다.

ABSTRACT

Spectre and Meltdown attacks and their variants exploit hardware performance optimization features to cause security breaches. Secret information is accessed and leaked through covert or side channels. New attack variants keep appearing and we do not have a systematic way to capture the critical characteristics of these attacks and evaluate why they succeed or fail. In this paper, we provide a new attack-graph model for reasoning about speculative execution attacks. We model attacks as ordered dependency graphs, and prove that a race condition between two nodes can occur if there is a missing dependency edge between them. We define a new concept, "security dependency", between a resource access and its prior authorization operation. We show that a missing security dependency is equivalent to a race condition between authorization and access, which is a root cause of speculative execution attacks. We show detailed examples of how our attack graph models the Spectre and Meltdown attacks, and is generalizable to all the attack variants published so far. This attack model is also very useful for identifying new attacks and for generalizing defense strategies. We identify several defense strategies with different performance-security tradeoffs. We show that the defenses proposed so far all fit under one of our defense strategies. We also explain how attack graphs can be constructed and point to this as promising future work for tool designers.

연구 동기 및 목표

• 사전실행 공격을 모델링하고 추론하기 위한 체계적인 프레임워크 부족 문제를 해결하기 위해.
• 관찰 가능한 사이드채널을 초월해 사전실행 취약점의 근본 원인을 규명하기 위해.
• 학계와 산업계에서 제안된 다양한 방어 전략을 하나의 이론적 모델 아래 통합하기 위해.
• 공격 그래프의 형식화된 구축을 통해 새로운 공격과 취약점의 체계적 탐지를 가능하게 하기 위해.
• 하드웨어 보안 분 析을 위한 도구 개발을 위한 형식적이고 일반화 가능한 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 사전실행 공격을 순서 기반 의존성 그래프로 표현하기 위해 위상 정렬 그래프(TSG) 모델을 제안한다.
• 보안 의존성은 권한 부여와 이어지는 작업(액세스, 사용, 전송) 사이의 필수 순서 제약 조건으로 정의한다.
• TSG에서 누락된 간선이 권한 부여와 액세스 사이의 레이스 조건을 의미하며, 이는 공격을 가능하게 한다는 것을 증명한다.
• Spectre와 Meltdown 공격을 TSG로 모델링하여 Meltdown는 내부 명령어 의존성에 의존하는 반면, Spectre는 상호 명령어 의존성에 의존함을 보여준다.
• 보안 의존성을 강제하는 전략을 기반으로 성능-보안 트레이드오프에 따라 방어 전략을 유도하고 분류한다.
• 학계 및 산업계에서 알려진 모든 방어 전략이 제안된 방어 전략 중 하나에 매핑됨을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 구현 방식을 가진 사전실행 공격들이 공통적으로 가지는 구조적 특성은 무엇인가?
• RQ2 사이드채널 누출을 초월해 사전실행 취약점의 근본 원인을 형식적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 특히 보안 의존성의 누락이 이러한 공격을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 기존 방어 전략이 성공하거나 실패하는 이유를 설명할 수 있는 통합 프레임워크를 유도할 수 있는가?
• RQ5 이 모델을 어떻게 활용하여 새로운 공격을 체계적으로 탐지하고 효과적이며 일반화 가능한 방어 전략을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 공격 그래프에서 누락된 간선이 권한 부여와 액세스 사이의 레이스 조건과 정확히 동일시되며, 이것이 사전실행 공격의 근본 원인임을 형식적으로 증명하였다.
• 권한 부여와 액세스/사용/전송 작업 사이의 필수 순서 조건인 '보안 의존성' 개념을 하드웨어 보안을 위한 새로운 기본 원리로 도입하였다.
• 모델은 Meltdown 유형의 공격이 내부 명령어 마이크로아키텍처 의존성에 의존하는 반면, Spectre 유형의 공격은 오직 상호 명령어 의존성에 의존함을 드러내어 취약점 탐지의 단순화를 가능하게 하였다.
• 학계 및 산업계에서 알려진 모든 기존 방어 전략이 공격 그래프 모델에서 파생된 네 가지 방어 전략 중 하나의 사례로 나타남을 입증하였다.
• 공격 그래프 모델은 새로운 공격의 체계적 구축을 가능하게 하며, 하드웨어-소프트웨어 시스템의 취약점 탐지를 위한 자동화된 도구 개발의 기초를 제공한다.
• Spectre와 Meltdown에 대한 공격 그래프를 구성함으로써 이론적 프레임워크의 일반화 가능성을 검증하였으며, 모든 알려진 변종에 적용 가능함을 입증하였다.