[论文解读] TurboCC: A Practical Frequency-Based Covert Channel With Intel Turbo Boost

Manuel Kalmbach, Mathias Gottschlag+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出TurboCC，一种基于频率的隐蔽信道，利用Intel Turbo Boost技术通过受控的核心激活来调节CPU频率，实现隔离进程间的隐蔽通信。在空闲系统上最高可达61 bit/s的速率，即使在37.5%的后台CPU负载下仍能保持12 bit/s的速率，表现出对实际工作负载的强鲁棒性，且难以在不造成性能损失的情况下被阻断。

ABSTRACT

Covert channels are communication channels used by attackers to transmit information from a compromised system when the access control policy of the system does not allow doing so. Previous work has shown that CPU frequency scaling can be used as a covert channel to transmit information between otherwise isolated processes. Modern systems either try to save power or try to operate near their power limits in order to maximize performance, so they implement mechanisms to vary the frequency based on load. Existing covert channels based on this approach are either easily thwarted by software countermeasures or only work on completely idle systems. In this paper, we show how the automatic frequency scaling provided by Intel Turbo Boost can be used to construct a covert channel that is both hard to prevent without significant performance impact and can tolerate significant background system load. As Intel Turbo Boost selects the maximum CPU frequency based on the number of active cores, our covert channel modulates information onto the maximum CPU frequency by placing load on multiple additional CPU cores. Our prototype of the covert channel achieves a throughput of up to 61 bit/s on an idle system and up to 43 bit/s on a system with 25% utilization.

研究动机与目标

• 开发一种在真实系统负载下仍有效的隐蔽信道，以解决先前基于频率的信道在该场景下失效的问题。
• 利用Intel Turbo Boost的基于核心的频率调节机制，实现可靠的跨核心通信。
• 设计一种对后台系统负载和实际反制措施具有鲁棒性的信道。
• 在不同工作负载下（包括虚拟化环境）评估信道的性能与鲁棒性。
• 评估对系统性能产生影响的反制措施的可行性。

提出的方法

• 发送方通过同步激活或去激活多个CPU核心来调制信息，从而改变最大加速频率。
• 接收方在独立核心上使用计时循环测量当前的Turbo频率，以检测频率变化。
• 系统利用Intel Turbo Boost 2的特性：随着活动核心数量增加，频率下降，从而实现基于频率的信号传输。
• 通过CRC-16校验和重传机制实现错误鲁棒性，避免使用计算开销较大的前向纠错编码。
• 信道采用基于活动核心数量的简单开/关信号调制方式，而非单个核心的频率变化。
• 该方法避免依赖系统调用接口（如sysfs），从而在操作系统级别的访问限制下更具隐蔽性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在显著的后台CPU负载下（如生产环境数据中心），基于频率的隐蔽信道是否仍能保持有效性？
• RQ2 Intel Turbo Boost的基于核心的频率调节机制如何实现实用的隐蔽信道？
• RQ3 在真实系统条件下（包括虚拟化和后台进程），此类信道的吞吐量如何？
• RQ4 常见的反制措施（如人工CPU负载噪声）在多大程度上能干扰该信道？其性能代价如何？
• RQ5 能否在不依赖复杂前向纠错编码的情况下使信道具备鲁棒性？

主要发现

• 原型在空闲系统上实现61 bit/s的吞吐量，证明在理想条件下性能优异。
• 即使后台CPU使用率达到25%，信道仍保持43 bit/s的速率，表现出对中等负载的强鲁棒性。
• 在37.5%的后台负载下，信道仍能传输12 bit/s，证明其在真实环境中的可行性。
• 尽管存在虚拟化开销，信道仍保持有效，而此类开销会降低先前类似信道的性能。
• 反制措施如人工CPU负载噪声显著降低吞吐量，但会带来显著的性能损失。
• 使用CRC-16校验和重传机制在性能效率上优于复杂的前向纠错编码（如Reed-Solomon编码）。