התקפה חדשה על מבנים מיקרו-ארכיטקטוניים של מעבדי אינטל ו-AMD

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת וירג'יניה ומאוניברסיטת קליפורניה הציגה סוג חדש של התקפה על המבנים המיקרו-ארכיטקטוניים של מעבדי אינטל ו-AMD, שזוהו במהלך הנדסה לאחור של יכולות מעבד לא מתועדות. שיטת ההתקפה המוצעת כוללת שימוש במטמון מיקרו-אופ ביניים במעבדים, שניתן להשתמש בו כדי לאחזר מידע שנצבר במהלך ביצוע ספקולטיבי של הוראות.

למטרות אופטימיזציה, המעבד מתחיל לבצע כמה הוראות במצב ספקולטיבי, מבלי להמתין להשלמת החישובים הקודמים, ואם לאחר מכן הוא קובע שהתחזית לא הייתה מוצדקת, הוא מחזיר את הפעולה למצבה המקורי, אך הנתונים שעובדו במהלך הוצאה להורג ספקולטיבית מופקדת במטמון, שניתן לקבוע את תוכנו.

יצוין כי השיטה החדשה עולה בביצועים משמעותיים על מתקפת Spectre v1, מקשה על זיהוי המתקפה ואינה חסומה על ידי שיטות קיימות של הגנה מפני התקפות ערוץ צדדי שנועדו לחסום נקודות תורפה הנגרמות כתוצאה מביצוע ספקולטיבי של הוראות (לדוגמה, השימוש של הוראת LFENCE חוסמת דליפות בשלבים האחרונים של ביצוע ספקולטיבי, אך אינה מגינה מפני דליפה דרך מבנים מיקרו-אדריכליים).

השיטה משפיעה על דגמי מעבדי אינטל ו-AMD שיצאו מאז 2011, כולל סדרת Intel Skylake ו-AMD Zen. מעבדים מודרניים מפרקים את הוראות המעבד המורכבות למיקרו-פעולות פשוטות יותר דמויות RISC, אשר נשמרות במטמון נפרד. מטמון זה שונה מהותית ממטמון ברמה גבוהה יותר, אינו נגיש ישירות ופועל כמאגר זרם לגישה מהירה לתוצאות של פענוח הוראות CISC למיקרו-הוראות RISC. עם זאת, חוקרים מצאו דרך ליצור תנאים המתעוררים כאשר גישה למטמון מתנגשת ולאפשר לשפוט את התוכן של מטמון המיקרו-פעולה על ידי ניתוח הבדלים בזמן הביצוע של פעולות מסוימות.

מטמון המיקרו-פעולה במעבדי אינטל מפולח ביחס להליכי CPU (Hyper-Threading), בעוד שמעבדי AMD Zen משתמשים במטמון משותף, מה שיוצר תנאים לדליפת נתונים לא רק בתוך חוט ביצוע אחד, אלא גם בין שרשורים שונים ב-SMT (דליפת נתונים אפשרית בין קוד הפועל על ליבות CPU לוגיות שונות).

חוקרים הציעו שיטה בסיסית לאיתור שינויים במטמון המיקרו-פעולה ומספר תרחישי תקיפה המאפשרים ליצור ערוצי העברת נתונים נסתרים ושימוש בקוד פגיע לדליפת נתונים סודיים, הן בתוך תהליך בודד (לדוגמה, לדליפת נתוני תהליך בעת ביצוע קוד צד שלישי במנועים עם JIT ובמכונות וירטואליות), ובין הקרנל לתהליכים במרחב המשתמש.

בעת ארגון גרסה של מתקפת Spectre באמצעות מטמון מיקרו-פעולה, החוקרים הצליחו להשיג ביצועים של 965.59 Kbps עם שיעור שגיאה של 0.22% ו-785.56 Kbps בעת שימוש בתיקון שגיאות, במקרה של ארגון דליפה בתוך אותה כתובת רמת שטח ופריבילגיה. עם דליפה המשתרעת על פני רמות הרשאות שונות (בין ליבה למרחב משתמש), הביצועים היו 85.2 Kbps עם תיקון שגיאות נוסף ו-110.96 Kbps עם שיעור שגיאות של 4%. בעת תקיפת מעבדי AMD Zen, יצירת דליפה בין ליבות CPU לוגיות שונות, הביצועים היו 250 Kbps עם שיעור שגיאה של 5.59% ו-168.58 Kbps עם תיקון שגיאות. בהשוואה לשיטת Spectre v1 הקלאסית, ההתקפה החדשה הייתה מהירה פי 2.6.

צפוי שהגנה מפני מתקפת מטמון מיקרו-אופ תדרוש שינויים שיפחיתו את הביצועים יותר מאשר אם תפעיל את הגנת התקפת Spectre. כפשרה אופטימלית, מוצע לחסום התקפות כאלה לא על ידי השבתת מטמון, אלא ברמת ניטור חריגות וזיהוי מצבי מטמון האופייניים להתקפות.

כמו בהתקפות Spectre, ארגון דליפה מהקרנל או תהליכים אחרים מצריך ביצוע של רצף מסוים של פקודות (גאדג'טים) בצד של תהליכי הקורבן, מה שמוביל לביצוע ספקולטיבי של הוראות. כ-100 גאדג'טים דומים נמצאו בליבת לינוקס, שיוסרו, אך מעת לעת נמצאות דרכים לעקיפת הבעיה, למשל, הקשורות להפעלת תוכניות BPF שתוכננו במיוחד בליבה.

מקור: OpenNet.ru