[논문 리뷰] SpectreRewind: Leaking Secrets to Past Instructions

Jacob Fustos, Michael M. Bechtel외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 27.

Security and Verification in Computing참고 문헌 33인용 수 8

한 줄 요약

SpectreRewind는 단일 하드웨어 스레드에서 작동하는 새로운 경쟁 기반 코어트랜스미션 채널을 도입하여, 캐시 기반 기법 대신 부동소수점 나눗셈 단위의 경쟁을 활용함으로써 임시 실행 공격에 대한 새로운 방식의 코어트랜스미션 채널을 제공한다. 이는 고성능(~100 KB/s)과 낮은 노이즈(<0.01% 오류율)를 달성하여 멜트다운 공격 및 크롬 자바스크립트 샌드박스 내에서의 데이터 유출을 가능하게 하며, 미세아키텍처 상태 변경을 복구하는 데 의존하는 방어 기법을 우회한다.

ABSTRACT

Transient execution attacks utilize micro-architectural covert channels to leak secrets that should not have been accessible during logical program execution. Commonly used micro-architectural covert channels are those that leave lasting footprints in the microarchitectural state, for example, a cache state change, from which the secret is recovered after the transient execution is completed. In this paper, we present SpectreRewind, a new approach to create contention based covert channels for transient execution attacks. In our approach, a covert channel is established by issuing the necessary instructions logically before the transiently executed victim code. Unlike prior contention based covert channels, which require simultaneous multi-threading (SMT), SpectreRewind supports single hardware thread based covert channels, making it viable on systems where attacker cannot utilize SMT. We show that contention on the floating point division unit on commodity processors can be used to create a high-performance (~100 KB/s), low-noise covert channel for transient execution attacks instead of commonly used flush+reload based cache covert channels. We implement a Meltdown attack utilizing the proposed covert channel showing competitive performance compared to the stateof-the-art cache based covert channel implementation. We also show that the covert channel works in the JavaScript engine of a Chrome browser.

연구 동기 및 목표

• 기존의 경쟁 기반 코어트랜스미션 채널을 활용하기 위해 동시에 다중 스레딩(SMT)이 필요한 임시 실행 공격의 한계를 해결하기 위해.
• SMT가 비활성화되거나 이용이 불가능한 환경에서도 작동하는 단일 스레드 실행 환경에서 기능하는 코어트랜스미션 채널을 개발하기 위해.
• 특히 부동소수점 나눗셈 유닛에서의 기능 유닛 경쟁이 고성능·저노이즈 미세아키텍처 코어트랜스미션 채널로 기능할 수 있음을 입증하기 위해.
• 실세계 공격 시나리오에 코어트랜스미션 채널을 통합하기 위해, 멜트다운 유사 공격 및 브라우저 기반 자바스크립트 샌드박스를 포함하기 위해.
• 미세아키텍처 상태 변경을 복구하거나 숨기는 데 의존하는 하드웨어 방어 기법을 우회할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 전송자 및 수신자 지시어를 임시 실행 트리거 이전에 논리적으로 배치하여, 순서가 바뀐 코어에서 동시 실행이 가능하도록 공격을 구성한다.
• 소비자용 인텔, AMD, ARM 프로세서에서 부동소수점 나눗셈 유닛의 경쟁을 코어트랜스미션 채널의 물리적 매체로 활용한다.
• 지시어 실행 시간의 차이를 이용해 기밀 데이터를 인코딩하고 디코딩하며, 캐시 상태 대신 기능 유닛 경쟁을 기반으로 하는 원리상 플러시+리로드와 유사하다.
• 코어트랜스미션 채널을 멜트다운 개념 증명에 통합하여, 특권 메모리 영역에서의 엔드 투 엔드 데이터 유출을 시연한다.
• 실세계 환경에서 채널을 Google Chrome 자바스크립트 엔진 샌드박스 내에 구현하여 검증한다.
• 성능 및 노이즈는 제어된 실험을 통해 전통적인 캐시 기반 채널과 비교하여 전송 속도와 오류율을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 스레드 실행 환경에서 기능 유닛 경쟁을 이용해 고성능·저노이즈 코어트랜스미션 채널을 구축할 수 있는가?
• RQ2 이러한 채널을 사용해 특성 지연 지시어가 폐기되기 전에 기밀 정보를 유출할 수 있는가?
• RQ3 제안된 채널이 상태 복구 또는 임시 미세아키텍처 상태 변경 숨기기를 기반으로 하는 하드웨어 방어 기법을 우회할 수 있는가?
• RQ4 코어트랜스미션 채널을 브라우저 기반 자바스크립트 샌드박스 환경에서 효과적으로 배포할 수 있는가?
• RQ5 기능 유닛 기반 채널의 성능 및 신뢰성은 기존의 플러시+리로드 캐시 기반 코어트랜스미션 채널과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• SpectreRewind는 단일 스레드 환경에서 최대 100 KB/s의 데이터 유출 속도를 달성하는 고성능 코어트랜스미션 채널을 성공적으로 구축하였다.
• 채널은 오류율이 0.01% 미만으로 매우 낮은 노이즈를 보이며, 최신 플러시+리로드 캐시 기반 채널과 유사한 성능을 보였다.
• 이 기법은 특성 지연 지시어가 폐기되기 전에 데이터 유출을 가능하게 하여, 상태 복구나 숨김에 의존하는 방어 기법을 우회할 수 있다.
• 코어트랜스미션 채널은 Google Chrome 자바스크립트 샌드박스 내에서 정상적으로 작동하여 실세계 브라우저 기반 공격 시나리오에서의 실현 가능성을 입증하였다.
• 이 방법은 인텔, AMD, ARM의 소비자용 프로세서에서 효과적으로 작동하여 현대 아키텍처 전반에 걸쳐 넓은 적용 가능성을 보였다.
• 기능 유닛 경쟁—특히 부동소수점 나눗셈 유닛에서의 경쟁—이 캐시 기반 코어트랜스미션 채널의 실용적이고 고성능 대체 수단이 될 수 있음을 입증하였다.