[논문 리뷰] TeleHammer : A Stealthy Cross-Boundary Rowhammer Technique

Zhi Zhang, Yueqiang Cheng외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 06.

Security and Verification in Computing참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 중심의 방어를 우회하기 위해 하드웨어 기능을 활용하여 메모리 경계를 초월해 공격 대상이 되는 행(row)을 힘껏 두드리며(bit-flip을 유도하는) 새로운 Rowhammer 공격인 TeleHammer를 소개한다. 특히, 페이지 테이블 번역 기능을 활용하여 보호된 커널 수준의 페이지 테이블 항목(PTE)에 bit flip을 일으킨다. 기존의 PeriHammer 공격과 달리, 직접적인 공격 대상 행에 대한 접근이 필요 없이 사용자-커널 경계를 넘어가며 침묵스럽게 작동하여, 강화된 시스템에서도 권한 상승을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Rowhammer exploits frequently access specific DRAM rows (i.e., hammer rows) to induce bit flips in their adjacent rows (i.e., victim rows), thus allowing an attacker to gain the privilege escalation or steal the private data. A key requirement of all such attacks is that an attacker must have access to at least part of a hammer row adjacent to sensitive victim rows. We refer to these rowhammer attacks as PeriHammer. The state-of-the-art software-only defences against PeriHammer attacks is to make such hammer rows inaccessible to the attacker. In this paper, we question the necessity of the above requirement and propose a new class of rowhammer attacks, termed as TeleHammer. It is a paradigm shift in rowhammer attacks since it crosses memory boundary to stealthily rowhammer an inaccessible row by virtue of freeloading inherent features of modern hardware and/or software. We propose a generic model to rigorously formalize the necessary conditions to initiate TeleHammer and PeriHammer, respectively. Compared to PeriHammer, TeleHammer can defeat the advanced software-only defenses, stealthy in hiding itself and hard to mitigate. To demonstrate the practicality of TeleHammer and its advantages, we have created a TeleHammer's instance, called PThammer, which leverages the address-translation feature of modern processors. We observe that a memory access can induce a fetch of a Level-1 page-table entry (PTE) from memory and thus cause hammering the PTE once. To achieve a high hammer-frequency, we flush relevant TLB and cache effectively and efficiently. To this end, PThammer can cross user-kernel boundary to rowhammer rows occupied by Level-1 PTEs and induce bit flips in adjacent victim rows that also host Level-1 PTEs. We have exploited PThammer to defeat advanced software-only defenses in bare-metal systems.

연구 동기 및 목표

• 직접적인 공격 대상 행에 대한 접근이 Rowhammer 공격에 필수적이라는 가정을 도전하기 위해.
• 공격자가 공격 대상 행으로부터 격리되어 있다고 가정하는 소프트웨어 중심 방어의 한계를 해결하기 위해.
• 기존 하드웨어 메커니즘을 활용해 메모리 경계를 초월해 작동하는 새로운 유형의 Rowhammer 공격—TeleHammer—을 설계하고 구현하기 위해.
• 현대 프로세서의 주소 번역 기능을 활용해 고도화된 소프트웨어 중심 방어를 우회할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• TeleHammer와 PeriHammer 공격의 조건을 일반화된 모델을 사용해 정형화하여, 둘의 작동 범위를 명확히 구분하기 위해.
• 현대 프로세서의 주소 번역 메커니즘을 활용해 Level-1 페이지 테이블 항목(PTE)을 읽는 메모리 접근을 유도함으로써, 인접한 PTE 행에 Rowhammer 효과를 유도하기 위해.
• TLB와 캐시를 플러시하여 두드리기 빈도를 높이고, 공격 대상 행에 일관된 bit flip을 유도하기 위해.
• 일般적으로 사용자 공간 접근에서 보호되는 커널 메모리 내 Level-1 PTE를 공격 대상 행으로 삼기 위해.
• 메모리 접근의 본질적인 무료 이용(freeloading) 행동과 페이지 테이블 탐색 기능을 활용해, 직접적인 공격 대상 행에 접근하지 않고도 Rowhammer를 시작하기 위해.
• 바이러스 없는 하드웨어 수정 없이도 베어 메탈 시스템에서 메모리 경계를 초월한 Rowhammer 공격을 실현하는 프로토타입인 PThammer를 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 주소 번역 기능을 활용해 직접적인 공격 대상 행에 접근하지 않고도 Rowhammer 공격를 수행할 수 있는가?
• RQ2 메모리 경계를 초월해 하드웨어에 의해 유도된 Rowhammer 효과를 통해 기존의 소프트웨어 중심 방어를 어떻게 우회할 수 있는가?
• RQ3 현대 시스템에서 침묵스럽고 경계를 초월한 Rowhammer 공격가 성공하기 위해 필요한 조건은 무엇인가?
• RQ4 캐시와 TLB 관리로 bit flip의 빈도와 신뢰성은 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 커널이 보호하는 메모리 영역, 예를 들어 Level-1 PTE는 간접적인 Rowhammer 기법을 통해 공격 대상이 될 수 있는가?

주요 결과

• TeleHammer는 공격자가 접근할 수 없는 공격 대상 행에 대해, 페이지 테이블 검색 과정에서 유도된 메모리 접근 패턴을 활용하여 bit flip을 성공적으로 유도한다.
• PThammer 프로토타입은 표준 프로세서 기능만으로도 사용자-커널 경계를 초월한 Rowhammer 공격이 가능함을 입증한다. 하드웨어 수정이 필요하지 않다.
• TLB와 캐시를 플러시함으로써 PThammer는 인접한 PTE 행에 안정적으로 bit flip을 유도할 수 있는 고주기의 두드리기 빈도를 달성한다.
• 공격 대상 행이 사용자 공간에서 격리되어 있다고 가정하는 고도화된 소프트웨어 중심 방어를 공격이 우회한다.
• 기존의 무료로 이용 가능한 하드웨어 메커니즘을 활용해 침묵스럽게 작동하고, 기존의 억제 전략을 우회함을 입증한다.
• 결과적으로 현대 시스템이 전통적인 공격 벡터가 차단된 상태에서도 여전히 Rowhammer 공격에 취약함을 확인한다.