[論文レビュー] Sprobes: Enforcing Kernel Code Integrity on the TrustZone Architecture

Xinyang Ge, Hayawardh Vijayakumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Security and Verification in Computing参考文献 18被引用数 74

ひとこと要約

この論文では、ARM TrustZone対応スマートフォンにおけるカーネルコード整合性を保証する新規メカニズムであるSPROBESを紹介している。SPROBESは、特定のカーネル命令に対して偽造不能なトラップを可能にする。5つの重要な不変条件を強制することで、ルートキットがインストルメンテーションを削除することを防ぎ、Linuxカーネル 2.6.38を保護するにはわずか12個のSPROBESで十分であることを示している。

ABSTRACT

Many smartphones now deploy conventional operating systems, so the rootkit attacks so prevalent on desktop and server systems are now a threat to smartphones. While researchers have advocated using virtualization to detect and prevent attacks on operating systems (e.g., VM introspection and trusted virtual domains), virtualization is not practical on smartphone systems due to the lack of virtualization support and/or the expense of virtualization. Current smartphone processors do have hardware support for running a protected environment, such as the ARM TrustZone extensions, but such hardware does not control the operating system operations sufficiently to enable VM introspection. In particular, a conventional operating system running with TrustZone still retains full control of memory management, which a rootkit can use to prevent traps on sensitive instructions or memory accesses necessary for effective introspection. In this paper, we present SPROBES, a novel primitive that enables introspection of operating systems running on ARM TrustZone hardware. Using SPROBES, an introspection mechanism protected by TrustZone can instrument individual operating system instructions of its choice, receiving an unforgeable trap whenever any SPROBE is executed. The key challenge in designing SPROBES is preventing the rootkit from removing them, but we identify a set of five invariants whose enforcement is sufficient to restrict rootkits to execute only approved, SPROBE-injected kernel code. We implemented a proof-of-concept version of SPROBES for the ARM Fast Models emulator, demonstrating that in Linux kernel 2.6.38, only 12 SPROBES are sufficient to enforce all five of these invariants. With SPROBES we show that it is possible to leverage the limited TrustZone extensions to limit conventional kernel execution to approved code comprehensively.

研究の動機と目的

• 従来のオペレーティングシステムを搭載したスマートフォンにおけるルートキット攻撃の増加する脅威に対処すること。
• 仮想化サポートの欠如と高いオーバーヘッドのため、スマートフォンでは現実的でない仮想化ベースのインテロスペクションの限界を克服すること。
• ARM TrustZoneのハードウェア隔離機能を活用し、完全な仮想化を必要とせずにカーネルコード整合性を強制すること。
• ルートキットがインストルメンテーションを削除することを防ぐメカニズムを設計し、悪意あるコードの恒久的検出を保証すること。
• 最小限の数のSPROBESで、信頼できるハードウェア上でカーネル実行を包括的に保護できることを実証すること。

提案手法

• 信頼できるモニタが個々のカーネル命令をインテロスペクション可能にするための新規プリミティブとしてSPROBESを導入する。
• TrustZoneのセキュアワールドを用いて、カーネル実行を承認済みでSPROBEが挿入されたコードに限定する5つの不変条件を強制する。
• SPROBE実行が通常ワールドのカーネルによって検出可能かつ逆転不能であるようにすることで、トラップ生成の偽造不能性を保証する。
• Linuxカーネル 2.6.38を対象に、ARM Fast Modelsエミュレータ上でプロトタイプ実装を実施する。
• SPROBEを削除または回避する試みが、5つの不変条件の少なくとも1つを破るよう、SPROBEメカニズムを設計する。
• ハードウェアによるメモリ隔離とセキュア例外処理を用いて、悪意あるカーネルによるSPROBE状態の操作を防止する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られた仮想化支援を備えたスマートフォンにおいて、カーネルコード整合性を強制することは可能か？
• RQ2 完全な仮想化を必要としない状況で、TrustZone内の信頼できるモニタは、カーネルコードの改ざんを検出および防止できるか？
• RQ3 ルートキットがSPROBEインストルメンテーションを削除または回避できないように保証する最小限の不変条件のセットは何か？
• RQ4 実世界のカーネル上で、わずか数個のSPROBESで包括的なカーネルインテロスペクションを達成するのは現実的か？
• RQ5 SPROBESはモバイルプラットフォーム上で実用的に実装できるほど効率的に実装可能か？

主な発見

• SPROBESは、選択されたカーネル命令に対して偽造不能なトラップを可能にすることで、ARM TrustZone上でカーネルコード整合性を成功裏に強制した。
• Linuxカーネル 2.6.38では、5つの不変条件をすべて強制するためにわずか12個のSPROBESで十分であり、高い効率性を示した。
• 5つの不変条件が総合的に作用し、ルートキットがSPROBEを削除または回避できないようにし、恒久的なインテロスペクション能力を保証した。
• ARM Fast Modelsエミュレータ上でのプロトタイプ実装により、SPROBESが実世界のカーネルで実現可能であることが確認された。
• 完全な仮想化を必要としないため、SPROBESはモバイルシステムにおいて実用的である。