LVI — нов клас атаки върху механизма на спекулативното изпълнение в CPU

Обявени данни за нов клас атаки LVI (Load Value Injection, CVE-2020-0551) върху механизма за спекулативно изпълнение в CPU Intel, които могат да се използват за организиране на изтичане на ключове и секретни данни от Intel SGX анклави и други процеси.

Новият клас атаки е базиран на манипулации с същите микроархитектурни структури, както при атаките MDS (Microarchitectural Data Sampling), Spectre и Meltdown.В същото време новите атаки не се блокират от съществуващите методи за защита срещу Meltdown, Spectre, MDS и други подобни атаки. За ефективна защита срещу LVI е необходимо въвеждане на хардуерни промени в CPU. При организиране на защита по софтуерен път, чрез добавяне на инструкции LFENCE след всяка операция на зареждане от паметта и подмяна на инструкциите RET с POP, LFENCE и JMP, се фиксират твърде големи разходи – по оценки на изследователите, пълната софтуерна защита ще доведе до намаляване на производителността с 2-19 пъти.

Частично, трудността при блокиране на проблема се компенсира от това, че в момента атаката носи предимно теоретичен, отколкото практичен характер (атаката е теоретично възможна, но много трудна за реализиране и се възпроизвежда само в синтетични тестове).
Компания Intel определи проблема на умерено ниво на опасност (5.6 от 10) и пусна обновление на фърмуера и SDK за средата SGX, в които се опитват да блокират проведената атака по заобиколен път. Предложените методи за атака в момента са приложими само за процесори Intel, но не се изключва възможността LVI да бъде адаптирана и за други процесори, на които могат да се прилагат атаки от клас Meltdown.

Проблемата беше установена през април миналата година от изследователя Джо Ван Балк (Jo Van Bulck) от Льовенския университет, след което с участието на 9 изследователи от други университети, бяха разработени пет основни метода за извършване на атаки, всеки от които допуска съществуването на по-специфични варианти.Независимо, през февруари тази година изследователи от компанията Bitdefender също откриха констатираха един от вариантите на атака LVI и го съобщиха на Intel. Вариантите на атаките се различават по използването на различни микроархитектурни структури, като буфер за запаметяване (SB, Store Buffer), буфер за запълване (LFB, Line Fill Buffer), буфер за смяна на контекста FPU и кеш от първо ниво (L1D), използвани преди това в такива атаки като ZombieLoad, RIDL, Fallout, LazyFP., Foreshadow. и Meltdown.

Основното различие. LVI атаките MDS е, че MDS манипулира определението на съдържанието на микроархитектурни структури, които остават в кеша след спекулативна обработка на изключения (fault) или операции load и store, докато
атаките LVI позволяват подмяна на данни от attacker в микроархитектурни структури, с цел влияние върху следващото спекулативно изпълнение на кода на жертвата. Чрез посочените манипулации, атакуващият може да извлече съдържанието на закрити структури от данни в други процеси при изпълнение на определен код на целевия CPU.

За експлоатация на проблема в кода на процеса-жертва трябва да присъстват специални последователности от код (gadgets), в които се зарежда контролирана от атакуващия стойност, а зареждането на тази стойност води до възникване на изключения (fault, abort или assist), които отхвърлят резултата и изпълняват инструкциите отново. При обработката на изключението възниква спекулативен прозорец, в който се извършва изтичане на обработваните в гаджета данни. В частност, процесорът започва да изпълнява в спекулативен режим част от кода (гаджет), след което установява, че предсказанието не се е оправдало и отменя операциите до първоначалното им състояние, но обработените по време на спекулативното изпълнение данни остават в кеша L1D и микроархитектурните буфери и са достъпни за извличане от тях с известни методи за идентифициране на остатъчни данни чрез странични канали.

Изключението «assist», за разлика от «fault», се обработва вътре в процесора без извикване на софтуерни обработчици. Assist може да възникне, например, когато е необходимо да се обнови бит A (Accessed) или D (Dirty) в таблицата за страници на паметта. Основната трудност при провеждането на атака върху други процеси е как да се иницира възникването на assist, манипулирайки процеса на жертвата. В момента не съществуват надеждни методи за това, но в бъдеще не е изключено да бъдат намерени. Възможността за извършване на атаката към момента е потвърдена само за анклави на Intel SGX, други сценарии остават теоретични или възпроизводими в синтетични условия (необходимо е добавяне на определени gadgets в кода)

Възможни вектори на атаки:

• Изтичане на данни от ядрени структури към потребителския процес. Съществуващата защита в ядрото на Linux срещу атаки от клас Spectre 1, както и механизмът за защита SMAP (Предотвратяване на достъп в режим на надзор) значително намаляват вероятността от атака LVI. Допълнителна защита в ядрото може да бъде необходима, ако в бъдеще се открият по-прости методи за атака LVI.
• Изтичане на данни между различни процеси. За атаката е необходимо наличие на специфични фрагменти от код в приложението и определяне на метода за генериране на изключение в целевия процес.
• Изтичане на данни от хост среда в гостуваща система. Атаката е класифицирана като прекалено сложна, изискваща изпълнението на различни трудни стъпки и предсказване на активността в системата.
• Изтичане на данни между процеси в различни гостуващи системи. Векторът на атаката е близък до организацията на изтичане на данни между различни процеси, но допълнително изисква извършването на сложни манипулации за заобикаляне на изолацията между гостуващите системи.

Изследователите оповестиха сървъра, не можете да се избавите от проблема с "раздуването" на индексите с времето. Ясно е, че ако можете да си позволите всеки ден да пускате нов сървър, вашите проблеми вече ще бъдат на съвсем различно равнище. прототипи с демонстрация на принципите на извършване на атака, но те все още не са подходящи за извършване на реални атаки. Първият пример позволява пренасочване на спекулативното изпълнение на код в процеса-жертва по аналогия с програмированието, основано на връщане (ROP, Return-Oriented Programming). В този пример жертвата е специално подготвен процес, съдържащ необходимите гаджети (прилагането на атаката към реални трети страни процеси е затруднено). Вторият пример позволява намесване в изчисленията при шифриране на AES в рамките на анклава Intel SGX и организиране на изтичане на данни по време на спекулативното изпълнение на инструкции за възстановяване на стойността на използвания за шифриране ключ.

Източник: opennet.ru