[논문 리뷰] C-FLAT: Control-FLow ATtestation for Embedded Systems Software

Tigist Abera, N. Asokan외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 25.

Security and Verification in Computing참고 문헌 40인용 수 27

한 줄 요약

C-FLAT는 소스 코드가 필요 없이 바이너리 수준에서 프로그램의 실제 실행 경로를 검증하는 런타임 제어 흐름 확인 메커니즘을 제안한다. ARM TrustZone 하드웨어 확장을 활용하여 리턴 오브저드 프로그래밍과 같은 제어 흐름 탈취 공격을 탐지하며, 성능 오버헤드가 최소한인 실제 펌프 펌프 응용 프로그램에서 효과적인 탐지를 보였다.

ABSTRACT

Remote attestation is a crucial security service particularly relevant to increasingly popular IoT (and other embedded) devices. It allows a trusted party (verifier) to learn the state of a remote, and potentially malware-infected, device (prover). Most existing approaches are static in nature and only check whether benign software is initially loaded on the prover. However, they are vulnerable to run-time attacks that hijack the application's control or data flow, e.g., via return-oriented programming or data-oriented exploits. As a concrete step towards more comprehensive run-time remote attestation, we present the design and implementation of Control- FLow ATtestation (C-FLAT) that enables remote attestation of an application's control-flow path, without requiring the source code. We describe a full prototype implementation of C-FLAT on Raspberry Pi using its ARM TrustZone hardware security extensions. We evaluate C-FLAT's performance using a real-world embedded (cyber-physical) application, and demonstrate its efficacy against control-flow hijacking attacks.

연구 동기 및 목표

• 자원이 제한된 임베디드 장치에서 런타임 제어 흐름 탈취 공격을 탐지하는 데에 한계가 있는 정적 원격 확인 기법의 문제를 해결하기 위해.
• 소스 코드에 의존하지 않고 런타임에 프로그램 실행 경로를 가볍고 하드웨어 지원으로 검증하는 솔루션을 제공하기 위해.
• 기존 바이너리 무결성 검사로는 회피되는 복잡한 공격 기법, 예를 들어 리턴 오브저드 프로그래밍과 데이터 중심 공격을 탐지하기 위해.
• 기존 정적 확인 체계에 동적 제어 흐름 행동 검증을 추가하여 보완하기 위해.
• 의료 기기와 같은 레거시 및 안전이 중요한 임베디드 시스템에서 런타임 동작을 정밀하게 확인할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• C-FLAT는 응용 프로그램의 소스 코드를 수정하지 않고도 런타임에 응용 프로그램의 제어 흐름 경로를 모니터링하고 측정하기 위해 ARM TrustZone의 보안 월드를 사용한다.
• 바이너리 실행을 인스트루멘테이션하여 제어 흐름 전환(예: 함수 호출, 반환, 점프)을 로그 기록하고 실행 추적의 암호화 해시를 생성한다.
• 측정값의 진위성과 무결성을 보장하기 위해 TrustZone 환경에 저장된 하드웨어 기반 키를 사용하여 확인 보고서를 암호화 서명한다.
• 검증자는 서명된 보고서를 사용하여 실제 실행 경로가 알려진 양호한 경로와 일치하는지 확인함으로써 코드 재사용 또는 데이터 중심 공격으로 인한 이탈을 탐지한다.
• 시스템은 ARM TrustZone가 탑재된 라즈베리 파이 기반으로 프로토타입으로 구현되었으며, 운영 체제 커널에 통합된 사용자 정의 런타임 모니터링 모듈을 사용했다.
• 기존 하드웨어 보안 기능을 활용하여 성능 오버헤드를 최소화하면서도 강력한 신뢰 보장을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스 코드나 외부 신뢰 당사자가 필요 없이 임베디드 시스템에서 런타임 제어 흐름 확인을 달성할 수 있는가?
• RQ2 자원이 제한된 장치에서 코드 재사용 공격으로 인한 제어 흐름 이탈을 최소한의 성능 오버헤드로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 C-FLAT는 바이너리 무결성이 그대로 유지되더라도 데이터 손상으로 인해 유효한 제어 흐름 경로를 조작하는 비-제어 데이터 공격을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 C-FLAT는 의료 기기와 같은 안전이 중요한 응용 프로그램에서 실제 세계의 제어 흐름 탈취 기법(예: 리턴 오브저드 프로그래밍)을 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ5 C-FLAT가 실제 임베디드 워크로드(예: 펌프 펌프)에 적용되었을 때의 성능 오버헤드는 얼마인가?

주요 결과

• C-FLAT는 실제 런타임 임베디드 응용 프로그램에서 리턴 오브저드 프로그래밍과 데이터 중심 공격을 포함한 제어 흐름 탈취 공격을 성공적으로 탐지하였다. 이는 라즈베리 파이에서 실행된 응용 프로그램을 대상으로 하였다.
• 프로토타입은 펌프 펌프 응용 프로그램에서 평균 12.5%의 성능 오버헤드만을 유발하여 실시간 시스템에 실용적임을 입증하였다.
• C-FLAT는 실행 경로에 대한 정밀한 확인을 제공하여, 바이너리 무결성이 그대로 유지되더라도 이격된 경로를 탐지할 수 있다.
• 정적 확인으로는 탐지되지 않는, 인증 변수를 조작하여 비정상적인 제어 흐름 경로를 유도하는 공격을 효과적으로 방지한다.
• ARM TrustZone의 사용은 공격자가 확인 과정이나 측정 생성 과정을 조작하는 것을 방지하는 강력한 하드웨어 기반 신뢰를 보장한다.
• C-FLAT의 소스 코드는 공개되어 있어 재현성과 임베디드 시스템의 런타임 확인 분야의 향후 연구를 가능하게 한다.