LVI — uus rünnakute klass spekulatiivse täitmise mehhanismi vastu CPU-s

Avalikustatud teave uue rünnete klassi kohta LVI (Load Value Injection, CVE-2020-0551) Inteli CPU spekulatiivse täitmise mehhanismi kohta, mida saab kasutada Intel SGX anklavide ja teiste protsesside võtmete ja salajaste andmete lekkimise korraldamiseks.

Uus rünnete klass põhineb samade mikroarhitektuuriliste struktuuride manipuleerimisel nagu rünnakutes MDS (Microarchitectural Data Sampling), Spectre ja Meltdown. Uued rünnakud ei pruugi aga olla blokkeeritud olemasolevate kaitsemeetodite abil Meltdowni, Spectre'i, MDS-i ja teiste sarnaste rünnakute vastu. Tõhusaks kaitseks LVI vastu on vajalikud riistvaramuudatused CPU-s. Tarkvarapõhine kaitse, kasutades kompakti LFENCE käsku iga mälust laadimise operatsiooni järel ja asendades RET käsu POP, LFENCE ja JMP-ga, toob kaasa liiga suure ülepeakaalu — teadlaste hinnangul põhjustab täielik tarkvarakaitse jõudluse vähenemist 2-19 korda.

Osaliselt tasakaalustab blokeerimise raskust see, et praegu on rünnak peamiselt teoreetiline ega ole lihtne ellu viia (rünnak on teoreetiliselt võimalik, kuid äärmiselt keeruline rakendada ja reprodutseeritav vaid sünteetilistes testides).
Intel Corporation omistas problemile mõõduka ohu taseme (5,6 skaalal 10) ja vabastas SGX keskkonna firmavärskenduse ja SDK, milles püüdis rünnaku teostamist ringiteel blokeerida. Pakutavad rünnaku meetodid kehtivad praegu ainult Intel CPU-dele, kuid LVI kohandamine ka muudele protsessoritele, mis on vastuvõtlikud Meltdowni klassi rünnakutele, ei ole välistatud.

Probleem tuvastati eelmisel aastal aprillis uurija Jo Van Bulcki poolt Leuven'i ülikoolist, pärast mida, koos 9 uurijaga teistest ülikoolidest, töötati välja viis põhimeetodit rünnakute sooritamiseks, millest igaühel on võimalus spetsiifilisemate variantide. Iseseisvalt teatasid selle aasta veebruaris ka Bitdefenderi teadlased leiti ühest rünnaku variandist LVI ja teatasid sellest Intelile. Rünnaku variandid erinevad erinevate mikroarhitektuuriliste struktuuride, nagu salvestusbüroo (SB, Store Buffer), täitmisebüroo (LFB, Line Fill Buffer), FPU konteksti vahetuse puhversäilitus ja esimese taseme cache (L1D), kasutamise poolest, mida varem on rakendatud sellistes rünnakutes nagu ZombieLoad, RIDL, Fallout, LazyFP, Foreshadow ja Meltdown.

Põhiline erinevus LVI rünnakud MDS-ilt tulenevalt manipuleerib MDS mikroarhitektuuriliste struktuuride sisu määratlemisega, mis jääb mällu spekulatiivse erandi (fault) või laadimis- ja salvestamisoperatsioonide järel.
LVI rünnakud võimaldavad ründajal asendada andmed mikroarhitektuuriliste struktuuride sees, mõjutades seejärel sihtmärgi koodi spekulatiivset täitmist. Selliste manipulatsioonide abil suudab ründaja väljavõtta suletud andmestruktuuride sisu teistes protsessides, kui sihtprotsessori kood on täitmisel.

Tooge probleemi ekspluateerimine sihtprotsessi koodis peavad esinema spetsiaalsed koodijärjekorrad (gadget'id), kus laaditakse ründaja kontrollitav väärtus, ja selle väärtuse laadimine toob kaasa erandid (fault, abort või assist), mis viskavad tulemuse välja ja kordavad korraldust. Erandi töötlemise ajal tekib spekulatiivne aken, mille jooksul lekib gadget'is töödeldud andmeid. Eriti algab protsessor koodi (gadget) spekulatiivne täitmine, seejärel määrab, et ennustus ei pidanud paika ja tagastab toimingud algsesse olekusse, kuid spekulatiivse täitmise käigus töödeldud andmed jäävad L1D vahemällu ja mikroarhitektuursetesse puhverdesse ning need on kergesti kättesaadavad tuntud jääkandmete määramise meetodite kaudu.

Assist erandit, erinevalt fault'ist, töödeldakse protsessoris ilma tarkvara töötlejate kutsumiseta. Assist võib tekkida näiteks, kui tuleb värskendada A (Accessed) või D (Dirty) bitti mälu lehtede tabelis. Peamine keerukus rünnaku teostamisel teistele protsessidele on, kuidas käivitada assist, manipuleerides sihtprotsessiga. Praegu ei ole usaldusväärseid viise selle teostamiseks, kuid tulevikus ei saa välistada nende leidmist. Rünnaku teostamise võimalus on praegu kinnitatud ainult Intel SGX enklaavides, kõik teised stsenaariumid on teoreetilised või reprodutseeritavad sünteetilistes tingimustes (kuna koodi tuleb lisada teatud gadget'e).

Võimalikud rünnaku vektorid:

• Andmete leke tuumstruktuuri ja kasutaja tasemel protsessi vahel. Linuxi tuumas olemasolev kaitse Spectre 1 rünnakute vastu ning SMAP (Supervisor Mode Access Prevention) mehhanism vähendavad oluliselt LVI rünnaku tõenäosust. Täiendava kaitse lisamine tuumale võib osutuda vajalikuks, kui tulevikus avastatakse lihtsamaid meetodeid LVI rünnaku läbiviimiseks.
• Andmete leke erinevate protsesside vahel. Rünnaku teostamiseks on vajalikud teatud koodifragmendid rakenduses ja ekslemise meetodi tuvastamine sihtprotsessis.
• Andmete leke hostohtusesüsteemist külalisüsteemi. Rünnak kuulub liiga keeruliste kategooriasse, nõudes mitmete raskesti teostatavate sammude ja süsteemi tegevuse prognoosimist.
• Andmete leke protsesside vahel erinevates külalisüsteemides. Rünnakusuund on sarnane andmete lekkele erinevate protsesside vahel, kuid nõuab täiendavalt keerulisi manipulatsioone külalisüsteemide vaheline isoleerimise ületamiseks.

Uurijad on avalikustanud mõningaid prototüüpe ründamise põhimõtete demonstreerimiseks, kuid need ei ole veel reaalsateks rünnakuteks sobivad. Esimene näide võimaldab suunata spekulatiivset koodi täitmist sihtprotsessis, sarnaselt ROP-iga (ROP, Return-Oriented Programming). Selles näites on sihtmärgiks spetsiaalselt ette valmistatud protsess, mis sisaldab vajalikke vidinaid (rünnaku teostamine reaalses kolmanda osapoole protsessis on keeruline). Teine näide võimaldab sekkuda AES-i krüpteerimise arvutustesse Intel SGX anklaavis ja korraldada andmeleket spekulatiivsete käskude täitmise ajal, et taastada kasutatava krüpteerimisvõtme väärtus.

Allikas: opennet.ru