[論文レビュー] Frontal Attack: Leaking Control-Flow in SGX via the CPU Frontend

Ivan Puddu, Moritz Schneider+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Intel SGX対応プロセッサにおけるCPUフロントエンドの命令フェッチおよびプリディコード動作に着目した、新たなタイミング側面チャネル「Frontalアタック」を提示する。この攻撃は、16バイト単位の命令アラインメントおよび仮想アドレスに関連するタイミング変動を観測することで、制御フロー情報をバイト単位で漏洩させ、従来の防御を回避し、10世代目までのIntel CPUでテストされたすべての暗号ライブラリのバランスの取れた分岐から99％以上の成功率で機密情報を抽出する。

ABSTRACT

We introduce a new timing side-channel attack on Intel CPU processors. Our Frontal attack exploits timing differences that arise from how the CPU frontend fetches and processes instructions while being interrupted. In particular, we observe that in modern Intel CPUs, some instructions' execution times will depend on which operations precede and succeed them, and on their virtual addresses. Unlike previous attacks that could only profile branches if they contained different code or had known branch targets, the Frontal attack allows the adversary to distinguish between instruction-wise identical branches. As the attack requires OS capabilities to set the interrupts, we use it to exploit SGX enclaves. Our attack further demonstrates that secret-dependent branches should not be used even alongside defenses to current controlled-channel attacks. We show that the adversary can use the Frontal attack to extract a secret from an SGX enclave if that secret was used as a branching condition for two instruction-wise identical branches. We successfully tested the attack on all the available Intel CPUs with SGX (until 10th gen) and used it to leak information from two commonly used cryptographic libraries.

研究の動機と目的

• Intel CPUにおける新しいタイミング側面チャネルを同定および利用し、CPUフロントエンドを介して制御フロー情報を漏洩させる。
• 完全にバランスの取れた分岐—タイミング攻撃に対して耐性を持つように設計されたものでさえも、この新しいチャネルを用いて区別可能であることを示す。
• キャッシュおよび分岐予測ユニット（BPU）攻撃に対する既存の防御が、この攻撃に対して無効であることを示す。
• mbedTLS や Intel IPP といった実際の暗号ライブラリから機密情報を抽出することで、攻撃の実用性を検証する。
• SGXエナclaveにおいて、機密依存分岐の排除を根本的な防御策として提唱する。

提案手法

• 攻撃は、特に16バイト単位の命令アラインメントおよび仮想アドレスに依存する、CPUフロントエンドのフェッチおよびプリディコード論理に起因する命令実行時間の変動を観測する。
• OSレベルの割り込み制御を活用して、エナclave実行中の正確なタイミング差を測定し、制御フローの高分解能プロファイリングを可能にする。
• 攻撃は、命令的に同一だが、秘密の値に応じて制御フローの結果が異なる分岐を標的とし、タイミングを用いて実行されたパスを推定する。
• OSスケジューラーおよび割り込み処理を制御することで、SGXエナclaveに対してCPUフロントエンドのタイミング側面チャネルを観測する。
• 制御された割り込みとメモリ書き込み操作の組み合わせにより、命令処理における微細なタイミング差を増幅および検出する。
• PoC実装を用いて、10世代までのIntel CPU（SGX対応）全般にわたり攻撃を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CPUフロントエンドの命令フェッチおよびプリディコード論理におけるタイミング差が、SGXエナclaveにおける制御フロー情報の漏洩に利用可能か。
• RQ2 命令的に同一でバランスの取れた分岐であっても、秘密依存分岐をどの程度区別できるか。
• RQ3 キャッシュおよびBPUベースの側面チャネル攻撃に対する既存の防御が、この新しいフロントエンドベースのタイミングチャネルに対しても有効か。
• RQ4 この攻撃が、SGXにおける実際の暗号ライブラリにおいて、実用的でかつどの程度の成功率を示すか。
• RQ5 この攻撃の有効性は、異なるIntel CPUマイクロアーキテクチャ間でどのように変動するか。

主な発見

• Frontalアタックは、SGXエナclaveからバイト単位の制御フロー情報を漏洩させる成功率が99％を超える。
• 攻撃は、10世代までのIntel CPUすべてに有効であり、広範な脆弱性を確認した。
• 完全にバランスの取れた分岐—タイミング攻撃に対して耐性を持つように設計されたものでさえも、16バイト単位の命令アラインメントに基づくCPUフロントエンドのタイミング変動により区別可能である。
• 攻撃は、仮想アドレスおよび命令プリディコードに起因するタイミング差を悪用しており、これは従来の側面チャネル攻撃で未利用のメカニズムであった。
• 攻撃は、広く使われている2つの暗号ライブラリ、mbedTLSおよびIntel IPP Cryptographyライブラリから機密情報を成功して抽出した。
• BPUフラッシュや命令ランダマイゼーションといった防御策は、Frontalアタックに対して効果を示さない。これは、攻撃がキャッシュや分岐予測とは独立してCPUフロントエンドレベルで動作するためである。