[論文レビュー] Interface-Based Side Channel Attack Against Intel SGX

Jinwen Wang, Yueqiang Cheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、Intel SGXのインターフェースベースの側帯域攻撃を紹介しており、信頼できないOSソフトウェアが露出する観察可能なインターフェース呼び出しパターン（例：ECALL/OCALLパラメータ、遅延）を分析することで、エンクレーブ入力データを推定する。この攻撃は、SGX支援型NFVプラットフォームで、トラッキング対象のウェブページが処理されたかどうかを識別する際、87.6%の正確性と76.6%の再現率を達成し、信頼実行環境における深刻なプライバシー漏洩の脅威を示している。

ABSTRACT

Intel has introduced a trusted computing technology, Intel Software Guard Extension (SGX), which provides an isolated and secure execution environment called enclave for a user program without trusting any privilege software (e.g., an operating system or a hypervisor) or firmware. Nevertheless, SGX is vulnerable to several side channel attacks (e.g. page-fault-based attack and cache-based attack). In this paper, we explore a new, yet critical side channel attack in SGX, interface-based side channel attack, which can infer the information of the enclave input data. The root cause of the interface-based side channel attack is the input dependent interface invocation information (e.g., interface information and invocation patterns) which can be observed by the untrusted privilege software can reveal the control flow in the enclave. We study the methodology which can be used to conduct the interface-based side channel attack. To illustrate the effectiveness of the interface-based side-channel attacks, we use our methodology to infer whether tracked web pages have been processed by the SGX-assisted NFV platforms and achieve the accuracy of 87.6% and recall of 76.6%. We also identify the packets which belong to the tracked web pages, with the accuracy of 67.9%and recall of 71.1%. We finally propose some countermeasures to defense the interface-based side channel attack in SGX-assisted applications.

研究の動機と目的

• Intel SGXにおける新しい側帯域を特定・利用し、観察可能なインターフェース呼び出しパターンを通じてエンクレーブ入力データに関する情報を漏洩させる。
• 特にSGX支援型ネットワーク機能仮想化（NFV）プラットフォームにおける実世界のシナリオにおいて、この攻撃の実現可能性と有効性を示すこと。
• 信頼できないOSレベルのソフトウェアが、パラメータサイズや呼び出しタイミングなどのインターフェース動作を監視することで、機微なデータを推定できるかを分析すること。
• インターフェースベースの側帯域情報の露出を低減または排除するための対策を提案・評価すること。

提案手法

• エンクレーブ実行中に、信頼できないOSから得られるインターフェース呼び出しパターン（例：ECALL/OCALLの呼び出し頻度、パラメータサイズ、遅延）を収集する。
• 収集したインターフェースパターンを統計的および機械学習的手法を用いて分析し、特定の入力データや処理状態と相関づける。
• 攻撃手法をSGX支援型NFVプラットフォームに適用し、パケットレベルのインターフェース動作を分析することで、特定のウェブページが処理されたかどうかを推定する。
• 2つの対策を実装する：(1) すべてのインターフェースデータを固定サイズにパディングして、入力依存のパターンを隠蔽する。 (2) インターフェース呼び出しをバッチ処理して、呼び出しタイミングと頻度をマスキングする。
• さまざまなルール数とパケットサイズでのSGX支援型IDSにおける帯域幅およびスループットへの影響を測定することで、対策のパフォーマンスオーバーヘッドを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Intel SGXにおける観察可能なインターフェース呼び出しパターン（例：ECALL/OCALLパラメータやタイミング）を活用して、機微な入力データを推定できるか？
• RQ2 実際の展開例（例：SGX支援型NFVプラットフォーム）において、インターフェースベースの側帯域がエンクレーブ入力に関する情報をどの程度漏洩させるか？
• RQ3 提案された対策は、許容できないパフォーマンスオーバーヘッドを伴わずに、インターフェースベースの側帯域を効果的に排除できるか？
• RQ4 実世界のSGXワークロードにおいて、インターフェースベースの側帯域を低減するためのパディングとバッチ処理のメカニズムを適用する際のパフォーマンスコストは何か？

主な発見

• インターフェースベースの側帯域攻撃は、SGX支援型NFVプラットフォームで、トラッキング対象のウェブページが処理されたかどうかを識別する際、87.6%の正確性と76.6%の再現率を達成した。
• 攻撃は、トラッキング対象のウェブページに属するパケットを67.9%の正確性と71.1%の再現率で正しく特定し、複数ページにわたるトラフィック環境でも実用的な可能性を示した。
• 固定サイズパケットパディングを用いた対策により、攻撃の正確性がほぼゼロに低下し、側帯域が効果的に無効化された。
• バッチ処理対策は、パフォーマンスオーバーヘッドがほとんどなく、5,000件のIDSルールを処理する際のスループット低下はたった0.1 Gbpsにとどまった。
• 両方の対策（パディングとバッチ処理）を組み合わせることで、高いスループットを維持しながら側帯域漏洩を完全に排除でき、パケットサイズに応じて4.6%から20%の帯域幅オーバーヘッドが発生した。
• パフォーマンス評価により、対策が実用的であることが確認された。重度のワークロード下でも、合計のスループット低下は1 Gbps未満にとどまった。