[논문 리뷰] Randomized Last-Level Caches Are Still Vulnerable to Cache Side-Channel Attacks! But We Can Fix It

Wei Song, Boya Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 05.

Security and Verification in Computing참고 문헌 63인용 수 51

한 줄 요약

이 논문은 CEASER-S 및 ScatterCache와 같은 랜덤화된 레벨 캐시(이하 LLC) 방어 기법에 임계적인 취약점을 규명하며, 공격자가 캐시 플러시 명령어와 부분적 할당 세트를 이용해 리맵핑 보호 기능을 우회할 수 있음을 보여준다. 이를 바탕으로 기반 기반 리맵핑 타이밍, 다단계 이동, 공격 탐지 기반의 수정 방안을 제안하며, 랜덤화된 세트-연결 캐시가 최소한의 성능 오버헤드로 보안을 확보할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Cache randomization has recently been revived as a promising defense against conflict-based cache side-channel attacks. As two of the latest implementations, CEASER-S and ScatterCache both claim to thwart conflict-based cache side-channel attacks using randomized skewed caches. Unfortunately, our experiments show that an attacker can easily find a usable eviction set within the chosen remap period of CEASER-S and increasing the number of partitions without dynamic remapping, such as ScatterCache, cannot eliminate the threat. By quantitatively analyzing the access patterns left by various attacks in the LLC, we have newly discovered several problems with the hypotheses and implementations of randomized caches, which are also overlooked by the research on conflict-based cache side-channel attack. However, cache randomization is not a false hope and it is an effective defense that should be widely adopted in future processors. The newly discovered problems are corresponding to flaws associated with the existing implementation of cache randomization and are fixable. Several new defense techniques are proposed in this paper. our experiments show that all the newly discovered vulnerabilities of existing randomized caches are fixed within the current performance budget. We also argue that randomized set-associative caches can be sufficiently strengthened and possess a better chance to be actually adopted in commercial processors than their skewed counterparts as they introduce less overhaul to the existing cache structure.

연구 동기 및 목표

• 랜덤화된 기울기 캐시 방어 기법이 캐시 사이드채널 공격에 대해 이전에 간과된 취약점을 규명하고 분석하는 것.
• 현재 랜덤화된 캐시 설계의 근본적인 가정, 특히 할당 세트 발견 및 리맵핑 주기 추정에 대한 도전.
• 실제 상용 환경에 적용 가능한 실용적이고 저오버헤드의 방어 기법을 제안하여 랜덤화된 세트-연결 캐시의 보안성을 강화하는 것.
• 향후 보안 프로세서 설계를 위한 기반으로서, 랜덤화된 세트-연결 캐시가 기울기 캐시보다 더 실현 가능하다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 실제 공격 표면을 반영하기 위해 총 액세스 수가 아닌 LLC 할당에 기반한 리맵핑 주기를 측정하는 방식.
• ZCache 유사한 다단계 이동 기법을 구현하여 리맵핑 중 캐시 블록 할당 수를 줄이는 방식.
• 할당 세트 탐색 중 탐색 패턴을 식별하기 위해 경량 하드웨어 기반의 공격 탐지 메커니즘 도입.
• 리맵핑 주기를 더 줄여 부분적으로 일치하는 할당 세트의 발견을 방지하는 방식.
• 하드웨어 오버헤드가 낮고 보안 확장성이 뛰어나기 때문에, 기울기 캐시보다 CEASER 스타일의 랜덤화된 세트-연결 캐시를 권장.
• 실제 워크로드를 기반으로 성능 및 보안의 상호 조정을 평가하기 위해 Spike 시뮬레이션을 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 리맵핑과 기울임을 적용한 기존의 랜덤화된 기울기 캐시(예: CEASER-S 및 ScatterCache)는 왜 여전히 취약한가?
• RQ2 캐시 플러시 명령어와 부분적 일치는 랜덤화된 캐시에서 할당 세트를 찾는 데 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 LLC 액세스 수를 기반으로 리맵핑 주기를 추정하는 데서 발생하는 결함은 무엇이며, 이를 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ4 기울기 캐시와 비교해도 수용 가능한 성능 오버헤드로 랜덤화된 세트-연결 캐시를 보안적으로 강화할 수 있는가?
• RQ5 과도한 하드웨어 비용 없이도 새로 발견된 취약점을 효과적으로 보완할 수 있는 방어 기법은 무엇인가?

주요 결과

• 공격자는 캐시 플러시 명령어를 반복적으로 활용해 부분적으로 일치하는 할당 세트를 사용함으로써, 효과적인 세트를 찾는 데 필요한 시간을 극적으로 단축시킬 수 있다.
• 랜덤화된 기울기 캐시에서는 최소 할당 세트 개념이 더 이상 유효하지 않으며, 합리적인 할당 확률을 가지는 모든 세트가 사용 가능하다.
• 총 LLC 액세스 수를 기반으로 리맵핑 주기를 측정하면 과도하게 낙관적인 추정치가 나오며, L1/L2 캐시에 의해 많은 액세스가 필터링되기 때문이다.
• 실제로 리맵핑 간의 LLC 할당 수는 총 액세스 수보다 훨씬 적어지며, 이는 현재의 리맵핑 주기 계산 방식이 잘못되었음을 의미한다.
• 기존의 랜덤화된 캐시에서 발견된 모든 취약점은 제안된 기법을 통해 현재의 성능 예산 내에서 해결 가능하다.
• 하드웨어 오버헤드가 낮고 보안 확장성이 뛰어나기 때문에, CEASER 등 랜덤화된 세트-연결 캐시는 기울기 캐시보다 상용화에 더 적합하다.