[논문 리뷰] Virtualization Technology: Cross-VM Cache Side Channel Attacks make it Vulnerable

Alan Litchfield, Abid Shahzad|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 04.

Security and Verification in Computing참고 문헌 9인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 가상화 기술이 악성 공재 배치된 가상머신(Virtual Machine, VM)이 공유된 CPU 캐시를 악용해 암호화 키와 같은 민감한 데이터를 유출하는 크로스-VM 캐시 사이드 챌런널 공격에 취약하다고 밝힌다. 저자들은 공격 기법을 분석하고 대응 조치를 평가하여, 공유 클라우드 환경에서의 정교한 사이드 채널 누출에 대비한 기존 방어 조치가 부족하다고 결론 내린다.

ABSTRACT

Cloud computing provides an effective business model for the deployment of IT infrastructure, platform, and software services. Often, facilities are outsourced to cloud providers and this offers the service consumer virtualization technologies without the added cost burden of development. However, virtualization introduces serious threats to service delivery such as Denial of Service (DoS) attacks, Cross-VM Cache Side Channel attacks, Hypervisor Escape and Hyper-jacking. One of the most sophisticated forms of attack is the cross-VM cache side channel attack that exploits shared cache memory between VMs. A cache side channel attack results in side channel data leakage, such as cryptographic keys. Various techniques used by the attackers to launch cache side channel attack are presented, as is a critical analysis of countermeasures against cache side channel attacks.

연구 동기 및 목표

• 가상화된 클라우드 인fra에서 크로스-VM 캐시 사이드 채널 공격의 가능성과 영향을 조사하는 것.
• 공재 배치된 가상머신 간에 공유된 CPU 캐시 자원이 암호화된 데이터 유출을 가능하게 하는 방식을 분석하는 것.
• 기존의 캐시 사이드 채널 공격에 대응하는 방어 조치를 평가하고 그 한계를 규명하는 것.
• 다중 테넌트 클라우드 환경에서의 가상화 기술이 초래하는 보안 위험을 부각하는 것.
• 현재 방어 조치의 비판적 평가를 제공하고, 안전한 가상화를 위한 향상 방안을 제안하는 것.

제안 방법

• 저자들은 공재된 VM 간에 공유되는 L3 캐시에 초점을 맞춰 현대의 가상화 시스템 아키텍처를 분석한다.
• 캐시 히트/미스 시간을 측정하여 메모리 액세스 패턴을 유추할 수 있는 타이밍 사이드 채널 기법이 VM 간에 어떻게 활용될 수 있는지 상세히 기술한다.
• 캐시 일관성 메커니즘을 악용하기 위한 구체적인 공격 벡터, 예를 들어 Prime+Probe 및 Flush+Reload를 제시한다.
• 캐시 파artitioning, 랜덤라이제이션, 격리 기법 등을 포함한 기존 방어 조치에 대한 비판적 검토를 수행한다.
• 실제 클라우드 시나리오에서 이러한 방어 조치의 효과성을 평가하기 위해 실험적 분석과 위협 모델링을 사용한다.
• 2015년 오스트레일라시안 콫퍼런스 온 인포메이션 시스템(아카이브: arXiv:1605.01032)의 이전 연구를 바탕으로 연구 결과를 맥락화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크로스-VM 캐시 사이드 채널 공격는 가상화 환경에서 공유된 CPU 캐시를 어떻게 악용하는가?
• RQ2 어떤 특정 기법이 캐시 타이밍 사이드 채널을 통해 암호화 키와 같은 민감한 데이터를 추출하는 데 기여하는가?
• RQ3 현재의 방어 조치는 클라우드 가상화 환경에서 캐시 사이드 채널 공격을 얼마나 효과적으로 방지하는가?
• RQ4 기존 방어 메커니즘의 아키텍처적 및 구현적 한계는 무엇인가?
• RQ5 클라우드 컴퓨팅의 다중 테넌시 모델이 캐시 기반 사이드 채널 누출 위험을 어떻게 증폭시키는가?

주요 결과

• 공유된 L3 캐시 자원 덕분에 크로스-VM 캐시 사이드 채널 공격는 실제 가상화 환경에서 실현 가능하고 효과적이다.
• Prime+Probe 및 Flush+Reload와 같은 타이밍 기반 사이드 채널 기법을 사용해 공격자는 고도로 성공적인 비율로 암호화 키를 추출할 수 있다.
• 기존의 방어 조치, 예를 들어 캐시 파artitioning과 랜덤라이제이션은 정교한 공격 조건에서는 자주 우회되거나 효과가 없다.
• 연구는 하이퍼바이저 수준의 격리가 공재된 VM 간의 캐시 기반 데이터 누출을 방지하는 데 부족하다고 규명한다.
• 연구는 클라우드 제공자가 가상화 기술의 본질적 사이드 채널 취약성으로 인해 심각한 보안 위험에 노출되어 있음을 확인한다.
• 논문은 현재의 방어 조치가 부적합하며, 클라우드 인fra에서 더 강력한 격리 메커니즘이 긴급히 필요하다고 결론 내린다.