[论文解读] Lord of the Ring(s): Side Channel Attacks on the CPU On-Chip Ring Interconnect Are Practical

Riccardo Paccagnella, Licheng Luo+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2021

Security and Verification in Computing参考文献 89被引用 25

一句话总结

本文展示了使用 CPU ring interconnect 的实用片上跨核侧信道，构建了一个隐蔽通道，速率最高可达 4.14 Mbps，并泄漏加密密钥和按键时序信息。

ABSTRACT

We introduce the first microarchitectural side channel attacks that leverage contention on the CPU ring interconnect. There are two challenges that make it uniquely difficult to exploit this channel. First, little is known about the ring interconnect's functioning and architecture. Second, information that can be learned by an attacker through ring contention is noisy by nature and has coarse spatial granularity. To address the first challenge, we perform a thorough reverse engineering of the sophisticated protocols that handle communication on the ring interconnect. With this knowledge, we build a cross-core covert channel over the ring interconnect with a capacity of over 4 Mbps from a single thread, the largest to date for a cross-core channel not relying on shared memory. To address the second challenge, we leverage the fine-grained temporal patterns of ring contention to infer a victim program's secrets. We demonstrate our attack by extracting key bits from vulnerable EdDSA and RSA implementations, as well as inferring the precise timing of keystrokes typed by a victim user.

研究动机与目标

• 激发并利用一个此前研究不足的片上通信通道（ring interconnect）以实现隐蔽通道和侧信道。
• 对 Intel 的 ring 协议进行逆向工程，以了解 ring interconnect 上的资源与争用行为。
• 展示能够从受害者处提取加密密钥比特和按键时序的实用攻击。
• 展示对策并讨论针对 ring 基础泄漏的缓解方法。

提出的方法

• 对 Intel 的 ring interconnect 协议进行彻底逆向工程，以映射 ring 资源和仲裁行为。
• 在 ring interconnect 上以单线程构建跨核隐蔽通道，达到最多 4.14 Mbps (518 KBps)。
• 通过对 Coffee Lake 和 Skylake CPU 的实证测量来表征 ring 拓扑、通道和争用条件。
• 设计并执行基于 ring-contention 的侧信道攻击，从 RSA 和 EdDSA 实现中提取密钥比特并推断按键时序。
• 使用定时轨迹和机器学习对 ring contentions 信号进行去噪并从中恢复秘密。

实验结果

研究问题

• RQ1 在进程之间，CPU ring interconnect 争用的必要和充分条件是什么？
• RQ2 是否可以利用 ring 争用在没有共享内存的情况下创建跨核隐蔽通道？
• RQ3 是否可以利用 ring 争用泄漏来从 RSA 与 EdDSA 实现中恢复加密密钥？
• RQ4 是否可以从 ring 争用模式推断出按键时序信息？
• RQ5 哪些缓解措施能有效降低或防止基于 ring 的侧信道？

主要发现

• ring interconnect 拓扑结构包括两个独立的通道，四个子环分别服务不同的数据包类型。
• 在不使用共享内存的情况下，演示了单线程的跨核隐蔽通道，达到最多 4.14 Mbps (518 KBps)。
• ring 争用信号与受害者负载相关，在对抗性调度下可用于推断私有信息。
• 争用在当发送方和接收方的流量在重叠的 ring 段中同向传输且优先规则适用时，出现于特定条件下。
• 可以从 ring 争用的尖峰中推断按键时序，从而实现基于时序的泄漏。
• 作者提供了对争用条件和观察到的 ring 行为的结构化形式化，从而解释何时攻击会成功。