TikTag — атака срещу механизма за спекулативно изпълнение в CPU ARM, която позволява заобикаляне на защитата MemTag

Група изследователи от Сеулския университет и компанията Samsung разработи техника за атаки на ARM процесори, известна с кодовото име TikTag, която може да се използва за заобикаляне на хардуерния механизъм за защита MemTag (MTE, Memory Tagging Extension), наличен в чиповете с архитектура ARMv8.5-A. Атаката позволява да се определи съдържанието на TikTag тагове за произволни адреси в паметта поради изтичането на данни, възникващи в резултат на спекулативно изпълнение на инструкции от CPU.

Технологията MemTag предоставя възможност за привързване на тагове към области в паметта и организира проверка на коректността на употребата на указатели, за да се предотвратят експлоиране на уязвимости, причинени от обращение към вече освободени блокове памет, препълване на буфери и достъп преди инициализация. При използване на MemTag за всеки 16 байта физическа памет се създава 4-битов таг, който служи като ключ за достъп до тази памет. Тагът може да бъде генериран от приложението за определена област в паметта с помощта на специални инструкции на CPU и след това запазен в горните неизползвани битове на указателя. При достъп до паметта с използване на тагиран указател, процесорът проверява съвпадението на тагове, свързани с указателя, с тагове, свързани с блоковете памет, и разрешава достъпа само ако таговете съвпадат.

Предложената методика за атака позволява идентифициране на таговете, свързани с блоковете памет, и заобикаляне на защитата MemTag. Изследователите демонстрираха възможността за извършване на TikTag атака при експлоатиране на уязвимости в ядрото на Linux и браузъра Chrome, използвайки наличните в тези продукти последователности от инструкции (гаджети), водещи до спекулативно изпълнение на код. Подобни гаджети, когато се изпълняват в спекулативен режим за код, работещ с указатели, предизвикват четене на метаданни MemTag в зависимост от външни условия, на които може да повлияе атакуващият. След откриване на погрешна прогноза, резултатът от спекулативното изпълнение се отхвърля, но получените данни остават в кеша и могат впоследствие да бъдат извлечени чрез анализ по странични канали. Процентът на успешното заобикаляне на защитата MemTag в проведените тестове е оценен на 95% при извършване на атака за около 4 секунди.

Изяснени са два типа устройства, водещи до изтичане на информация за таговете MemTag. В първия случай спекулативното изпълнение възниква при неправилно предсказване на прехода, а условията за изпълнение на устройството могат да бъдат създадени чрез манипулации с системни повиквания. Във втория случай
Спекулативното изпълнение възниква от грешка в предсказването на взаимовръзката между операциите за четене и запис при използване на оптимизацията STLF (Store-To-Load-Forwarding), което позволява подбиране на таг, оценявайки състоянието на кеша (ако тагът съвпада, стойността ще бъде пренасочена директно от предишната команда «store» в операцията «load» и ще промени състоянието на кеша). Първият вид устройства е подходящ за атака на Linux ядрото, а вторият на JavaScript двигателя V8, използван в браузъри, базирани на Chromium. Прототип на инструментария за извършване на атака е публикуван в GitHub.

Компания ARM потвърди възможността за извършване на атака на системи с процесори Cortex-X2, Cortex-X3, Cortex-A510, Cortex-A520, Cortex-A710, Cortex-A715 и Cortex-A720, но не планира да прави промени в CPU за блокиране на проблема, тъй като архитектурата MemTag предполага, че таговете не са секретни данни за приложенията. В кодовата база на Chromium проблемът също остава непоправен, тъй като в браузъра Chrome защитата на база MemTag все още не се прилага по подразбиране. Екипът, отговорен за сигурността на платформата Android, призна възможността за нападение на устройства Pixel 8, в които се прилага защита MemTag, добави корекции за блокиране на изтичания и изрази готовност да изплати награда за откритата уязвимост.

Като заобиколни методи за блокиране на атаката, изследователите предлагат използването на инструкции sb или isb за забрана на спекулативното изпълнение по време на критични операции с паметта или включване на запълване от други инструкции между инструкциите за разклоняване и инструкциите за достъп до паметта.

Източник: opennet.ru