[論文レビュー] Time Protection: the Missing OS Abstraction

Qian Ge, Yuval Yarom+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 50被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、マイクロアーキテクチャ的タイミングチャネルを防ぐために、ページカラーイングと共有ハードウェア状態のターゲットフラッシュを用いたキャッシュパーティショニングにより、時間保護をOS抽象化として提案する。これに加え、ポリシーフリーのカーネルクローンメカニズムを採用している。このアプローチは、x86およびArmアーキテクチャの両方で、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドでタイミングチャネルを効果的に閉じており、seL4において透明性と強力な隔離保証を実現している。

ABSTRACT

Timing channels enable data leakage that threatens the security of computer systems, from cloud platforms to smartphones and browsers executing untrusted third-party code. Preventing unauthorised information flow is a core duty of the operating system, however, present OSes are unable to prevent timing channels. We argue that OSes must provide time protection in addition to the established memory protection. We examine the requirements of time protection, present a design and its implementation in the seL4 microkernel, and evaluate its efficacy as well as performance overhead on Arm and x86 processors.

研究の動機と目的

• タイミングチャネル（特にマイクロアーキテクチャ的もの）が不正な情報漏洩を可能にする、オペレーティングシステムにおける深刻なセキュリティ的ギャップを是正すること。
• 時間保護を、メモリ保護と同等の第一級のOS抽象化として確立し、セキュリティドメイン間の時間的隔離を保証すること。
• 信頼されたカーネル、特にseL4において、検証可能で最小限かつポリシーフリーの時間保護メカニズムを設計・実装すること。
• 時間保護の有効性を、マイクロアーキテクチャ的タイミングチャネルの排除と、現代のx86およびArmプロセッサにおけるパフォーマンスオーバーヘッドの定量的評価を通じて評価すること。

提案手法

• 各コアにパーティションごとのカーネルイメージを生成するポリシーフリーのカーネルクローン操作を導入し、セキュリティドメイン間の共有状態を最小限に抑える。
• ページカラーイングを用いてL1およびL2キャッシュをパーティショニングし、LLC（L3キャッシュ）やTLBエントリなど、パーティショニング不能なマイクロアーキテクチャ的状態をフラッシュする。
• コンテキストスイッチの遅延を増加させる時間パディングを用い、ドメイン間のタイミング差によるタイミング側信道漏洩を防止する。
• キャッシュカラーイングおよびフラッシュ操作の既存のハードウェア支援を活用し、精度の向上とオーバーヘッドの低減を図る拡張を施す。
• seL4マイクロカーネルにこのメカニズムを適用し、隔離特性の形式的検証と最小限の信頼されたコード表面積を確保する。
• 共存する悪意あるスレッドを伴う制御された攻撃シナリオ下で、実世界のワークロード（Splash-2）を用いて設計を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アプリケーションレベルの協力に依存せずに、強制的かつブラックボックス的なOSメカニズムが、マイクロアーキテクチャ的タイミングチャネルを効果的に閉じられるか。
• RQ2 最小限のパフォーマンスオーバーヘッドで、強力な隔離保証を達成するには、時間的隔離をどのように実現できるか。
• RQ3 キャッシュカラーイングやフラッシュ操作といった既存のハードウェア機能を、時間保護の実装にどの程度活用できるか。
• RQ4 時間保護のパフォーマンスへの影響は、一般用途ワークロード、特に攻撃的キャッシュ競合下でどの程度か。
• RQ5 ポリシーフリーで最小限のカーネル、たとえばseL4において、検証可能性とセキュリティを維持したまま時間保護を実装できるか。

主な発見

• 時間保護は、共有ハードウェアリソースをパーティショニングし、ドメイン間でカーネル状態を隔離することで、研究されたすべてのマイクロアーキテクチャ的タイミングチャネルを効果的に排除する。
• x86では、50%または75%のキャッシュ共有によるパーティショニングで、ほとんどのSplash-2ベンチマークで5.5%未満のオーバーヘッドに抑えられ、衝突ミスの減少によりradiosityおよびoceanでパフォーマンス向上が観察された。
• Armでは、時間パディングによるパフォーマンスオーバーヘッドはわずか0.2%〜0.4%であり、攻撃スレッドからの隔離のおかげでraytraceで一貫したパフォーマンス向上が得られた。
• x86およびArmの両方で、カーネルクローンメカニズムによるオーバーヘッドはほぼゼロであり、カーネルおよび割り込みのほぼ完全なパーティショニングが可能になった。
• 現在のハードウェア制限下でも本アプローチは有効であり、将来的なハードウェア拡張（例：よりターゲットを絞ったフラッシュ）により、完全な時間保護が実現可能になるだろう。
• 評価結果から、時間保護はアプリケーションに対して透明であり、信頼できないコードの変更なしに強力な隔離を提供することが確認された。