[논문 리뷰] TurboCC: A Practical Frequency-Based Covert Channel With Intel Turbo Boost

Manuel Kalmbach, Mathias Gottschlag외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 14.

Security and Verification in Computing참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고립된 프로세스 간에 코어 활성화를 통한 제어된 CPU 주파수 조절을 통해 Intel Turbo Boost를 활용하는 주파수 기반 코어티널 채널인 TurboCC를 제안한다. 시스템이 유휴 상태일 경우 최대 61 bit/s의 성능을 달성하며, 배경 CPU 부하가 37.5%일 경우에도 12 bit/s를 유지하여 실제 워크로드 환경에서 강건하며, 성능 손실 없이 차단하기 어려운 채널을 제공한다.

ABSTRACT

Covert channels are communication channels used by attackers to transmit information from a compromised system when the access control policy of the system does not allow doing so. Previous work has shown that CPU frequency scaling can be used as a covert channel to transmit information between otherwise isolated processes. Modern systems either try to save power or try to operate near their power limits in order to maximize performance, so they implement mechanisms to vary the frequency based on load. Existing covert channels based on this approach are either easily thwarted by software countermeasures or only work on completely idle systems. In this paper, we show how the automatic frequency scaling provided by Intel Turbo Boost can be used to construct a covert channel that is both hard to prevent without significant performance impact and can tolerate significant background system load. As Intel Turbo Boost selects the maximum CPU frequency based on the number of active cores, our covert channel modulates information onto the maximum CPU frequency by placing load on multiple additional CPU cores. Our prototype of the covert channel achieves a throughput of up to 61 bit/s on an idle system and up to 43 bit/s on a system with 25% utilization.

연구 동기 및 목표

• 이전의 주파수 기반 채널이 실패하는 현실적인 시스템 부하 조건에서도 효과적인 코어티널 채널을 개발하는 것.
• 신뢰할 수 있는 코어 간 통신을 위해 Intel Turbo Boost의 코어 기반 주파수 스케일링을 활용하는 것.
• 배경 시스템 부하와 실용적인 대응 조치에 강건한 채널을 설계하는 것.
• 가상화 환경을 포함한 다양한 워크로드 조건에서 성능 및 강건성을 평가하는 것.
• 시스템 성능에 영향을 미치는 대응 조치의 실현 가능성 평가

제안 방법

• 송신자는 복수의 CPU 코어를 동기적으로 활성화하거나 비활성화하여 최대 부스트 주파수를 조절함으로써 정보를 변조한다.
• 수신자는 별도의 코어에서 타이밍 루프를 사용해 현재 부스트 주파수를 측정하여 주파수 변화를 감지한다.
• 시스템은 Intel Turbo Boost 2의 특성인 활성화된 코어 수가 증가할수록 주파수가 감소하는 행동을 활용하여 주파수 기반 신호 전송을 가능하게 한다.
• 성능 부담이 큰 오류 수정 코드를 피하기 위해 CRC-16 체크섬과 재전송 기반 오류 내성 기법을 적용한다.
• 개별 코어 주파수 변화가 아닌 활성화된 코어 수에 기반한 단순한 on/off 신호 전송 방식을 사용한다.
• sysfs와 같은 시스템 호출 인터페이스 의존을 피함으로써 운영체제 수준의 접근 제한에 더 은밀하게 대응한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생산용 데이터 센터와 같은 상당한 배경 CPU 부하 조건에서도 주파수 기반 코어티널 채널이 여전히 효과를 발휘할 수 있는가?
• RQ2 Intel Turbo Boost의 코어 기반 주파수 스케일링은 실용적인 코어티널 채널을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 가상화 및 배경 프로세스를 포함한 현실적인 시스템 조건에서 해당 채널의 전송 속도는 얼마인가?
• RQ4 CPU 부하 노이즈와 같은 일반적인 대응 조치는 채널을 얼마나 효과적으로 방해할 수 있으며, 그 성능 손실 비용은 얼마인가?
• RQ5 복잡한 오류 수정 코드에 의존하지 않고도 채널을 강건하게 만들 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입은 유휴 상태 시스템에서 최대 61 bit/s의 전송 속도를 달성하여 이상적인 조건에서 높은 성능을 입증했다.
• 배경 CPU 사용률이 25%일 경우에도 채널은 43 bit/s를 유지하여 중간 수준의 부하에 강건함을 입증했다.
• 배경 부하가 37.5%일 경우에도 채널은 여전히 12 bit/s의 전송 속도를 유지하여 실제 환경에서의 타당성을 입증했다.
• 유사한 이전 채널이 떨어지는 가상화 오버헤드에도 불구하고 채널은 효과성을 유지했다.
• 인위적 CPU 부하 노이즈와 같은 대응 조치는 전송 속도를 크게 감소시키지만 상당한 성능 손실을 동반한다.
• CRC-16와 재전송 기법은 Reed-Solomon과 같은 복잡한 오류 수정 코드보다 성능 효율성이 뛰어나다.