[论文解读] Advanced profiling for probabilistic Prime+Probe attacks and covert channels in ScatterCache

Antoon Purnal, Ingrid Verbauwhede|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2019

Security and Verification in Computing被引用 14

一句话总结

本文提出两种针对ScatterCache的高级攻击，ScatterCache是一种旨在抵御基于缓存的侧信道攻击的密码学缓存架构。该研究提出了一种高度优化的驱逐集分析技术，将8路组相联缓存（11根索引位）中所需受害进程访问次数从约2^25减少至2^10以下，同时展示了一种新颖的概率隐蔽信道，利用任意地址冲突实现通信，在保持对随机化缓存有效的同时，其带宽高于全缓存驱逐方法。

ABSTRACT

Timing channels in cache hierarchies are an important enabler in many microarchitectural attacks. ScatterCache (USENIX 2019) is a protected cache architecture that randomizes the address-to-index mapping with a keyed cryptographic function, aiming to thwart the usage of cache-based timing channels in microarchitectural attacks. In this note, we advance the understanding of the security of ScatterCache by outlining two attacks in the noise-free case, i.e. matching the assumptions in the original analysis. As a first contribution, we present more efficient eviction set profiling, reducing the required number of observable victim accesses (and hence profiling runtime) by several orders of magnitude. For instance, to construct a reliable eviction set in an 8-way set associative cache with 11 index bits, we relax victim access requirements from approximately $2^{25}$ to less than $2^{10}$ . As a second contribution, we demonstrate covert channel profiling and transmission in probabilistic caches like ScatterCache. By exploiting arbitrary collisions instead of targeted ones, our approach significantly outperforms known covert channels (e.g. full-cache eviction).

研究动机与目标

• 挑战ScatterCache的安全假设，ScatterCache是一种通过密钥加密函数随机化地址到索引映射的受保护缓存架构。
• 通过优化受害进程访问需求，降低Prime+Probe攻击中驱逐集分析的计算成本。
• 证明在采用密钥加密随机化地址到索引映射的缓存架构（如ScatterCache）中，构建并利用隐蔽信道的可行性。
• 表明即使在强随机化机制下，侧信道与隐蔽信道攻击在无噪声条件下依然具有可行性。
• 为未来对受保护缓存系统中攻击者工作量与隐蔽信道容量界限的正式分析提供基础。

提出的方法

• 通过建模跨缓存路数的冲突概率，并利用统计推断方法，推广现有驱逐集分析技术，从而显著减少所需观测的受害进程访问次数。
• 采用一种概率隐蔽信道，利用跨缓存路数的任意地址冲突，而非依赖于目标攻击或全缓存驱逐。
• 使用分箱机制，通过s个互不重叠的发送端地址箱一次传输1比特信息，通过冗余提高可靠性。
• 采用基于阈值的检测方案，接收方在重新加载接收端地址后统计慢速访问次数，以推断传输的比特。
• 在与原始ScatterCache分析相同的无噪声假设下，对分析与传输阶段进行仿真。
• 将每一路缓存视为具有1/nways成功概率的独立概率信道，通过参数f（使用的缓存行比例）和s（分箱数量）实现带宽调节。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过显著减少所需观测的受害进程访问次数，大幅加速ScatterCache中的驱逐集分析？
• RQ2 在采用密钥加密随机化地址到索引映射的缓存架构中，能否构建并有效利用概率隐蔽信道？
• RQ3 ScatterCache中的隐蔽信道带宽与误码率相较于传统Prime+Probe和基于全缓存驱逐的隐蔽信道有何差异？
• RQ4 在随机化缓存架构中，驱逐集分析复杂度与隐蔽信道质量之间存在何种权衡？
• RQ5 能否在攻击者工作量与信道容量方面，对ScatterCache中残留的攻击面进行形式化边界界定？

主要发现

• 所提出的分析方法将8路组相联缓存（11根索引位）中所需观测的受害进程访问次数从约2^25降低至2^10以下，实现超过1000倍的减少。
• 该攻击在显著降低运行时间和资源消耗的前提下，成功构建了可靠的驱逐集，远低于原始ScatterCache分析中的假设成本。
• 成功演示了一种新颖的概率隐蔽信道，其通过利用跨缓存路数的任意冲突实现通信，无需全缓存驱逐或目标冲突。
• 该隐蔽信道的带宽高于基于全缓存驱逐的隐蔽信道，同时在存在加密随机化机制的情况下仍保持有效性。
• 通过参数f（使用的缓存行比例）和s（分箱数量）可调节信道的误码率与带宽，实现可靠性与吞吐量之间的灵活权衡。
• 仿真结果证实，在原始ScatterCache安全模型的无噪声假设下，分析与传输阶段均具备可行性。