[论文解读] MIRAGE: Mitigating Conflict-Based Cache Attacks with a Practical Fully-Associative Design

Gururaj Saileshwar, Moinuddin K. Qureshi|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2020

Security and Verification in Computing被引用 15

一句话总结

MIRAGE 提出了一种实用的全关联缓存设计，通过解耦放置与替换机制，利用基于指针的间接寻址和带有额外无效标签的偏移关联标签存储，实现全局淘汰——即任意缓存行均可被随机淘汰——从而消除基于冲突的侧信道攻击。该设计仅带来2%的性能开销和17–20%的面积成本，即可实现全关联缓存的安全性，确保缓存组冲突的发生概率低于每10^4至10^17年一次。

ABSTRACT

Shared processor caches are vulnerable to conflict-based side-channel attacks, where an attacker can monitor access patterns of a victim by evicting victim cache lines using cache-set conflicts. Recent mitigations propose randomized mapping of addresses to cache lines to obfuscate the locations of set-conflicts. However, these are vulnerable to new attacks that discover conflicting sets of addresses despite such mitigations, because these designs select eviction-candidates from a small set of conflicting lines. This paper presents Mirage, a practical design for a fully associative cache, wherein eviction candidates are selected randomly from all lines resident in the cache, to be immune to set-conflicts. A key challenge for enabling such designs in large shared caches (containing tens of thousands of cache lines) is the complexity of cache-lookup, as a naive design can require searching through all the resident lines. Mirage achieves full-associativity while retaining practical set-associative lookups by decoupling placement and replacement, using pointer-based indirection from tag-store to data-store to allow a newly installed address to globally evict the data of any random resident line. To eliminate set-conflicts, Mirage provisions extra invalid tags in a skewed-associative tag-store design where lines can be installed without set-conflict, along with a load-aware skew-selection policy that guarantees the availability of sets with invalid tags. Our analysis shows Mirage provides the global eviction property of a fully-associative cache throughout system lifetime (violations of full-associativity, i.e. set-conflicts, occur less than once in 10^4 to 10^17 years), thus offering a principled defense against any eviction-set discovery and any potential conflict based attacks. Mirage incurs limited slowdown (2%) and 17-20% extra storage compared to a non-secure cache.

研究动机与目标

• 解决共享最后一级缓存（LLC）在设置关联映射下易受基于冲突的侧信道攻击的漏洞。
• 彻底消除组冲突，即使使用高级算法，攻击者也无法发现淘汰集合。
• 在保持设置关联查找性能的同时，实现全关联缓存的安全特性（即全局淘汰）。
• 提供一种无需操作系统干预或缓存分区、实用、可扩展且开销低的解决方案。
• 通过保证在系统生命周期内组冲突在统计学上不可能发生，确保长期安全性。

提出的方法

• 通过在标签存储与数据存储之间使用基于指针的间接寻址，将标签放置与数据替换解耦，实现全局淘汰候选选择。
• 采用带有额外无效标签的偏移关联标签存储，在缓存插入时消除组冲突。
• 使用负载感知的偏移选择策略，动态平衡负载，并保证具有无效标签的组始终可用。
• 通过避免使用哈希表链式结构等可变延迟结构，保持恒定的命中延迟。
• 在负载均衡中利用2的幂次选择策略，确保所有缓存行均以高概率实现无冲突插入。
• 通过每次缓存访问仅访问24–28个位置，保留高效查找能力，避免了朴素全关联设计的低效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够设计出一种实用且安全的缓存架构，彻底消除共享最后一级缓存中的所有组冲突？
• RQ2 能否在保持设置关联设计性能的同时，实现全关联缓存的安全性？
• RQ3 能否在不引入高面积或延迟开销的前提下，高效实现全局淘汰？
• RQ4 设计能否抵御利用淘汰候选集合有限性而设计的先进淘汰集合发现攻击？
• RQ5 为确保现代处理器生命周期内无冲突运行，所需存储开销的水平是多少？

主要发现

• MIRAGE 完全消除了组冲突，全关联性违规（即组冲突）的发生概率低于每10^4至10^17年一次。
• 与非安全的设置关联型LLC相比，该设计仅带来2%的性能下降。
• 其存储需求比标准设置关联缓存高出17–20%，主要源于标签存储中额外的无效标签。
• 通过每次查找仅访问24–28个位置，系统保持了恒定的命中延迟，避免了可变延迟结构。
• 负载感知的偏移选择策略确保了具有无效标签的组始终可用，从而支持无冲突插入。
• MIRAGE 对所有已知的淘汰集合发现攻击均具有鲁棒性，包括针对随机映射方案的攻击。