跨核缓存时间侧信道攻击的防御机制研究

来源 :王楷 |
在当今信息化时代,处理器芯片作为智能化设备的核心部件,其安全性是整个网络安全体系的基石。缓存弥补了处理器运算速度和内存访问速度的差距,是现代处理器普遍采用的经典设计。然而,缓存时间侧信道攻击能够利用不同缓
在当今信息化时代,处理器芯片作为智能化设备的核心部件,其安全性是整个网络安全体系的基石。缓存弥补了处理器运算速度和内存访问速度的差距,是现代处理器普遍采用的经典设计。然而,缓存时间侧信道攻击能够利用不同缓存层级和内存的访问延迟差作为信道,观测受害程序运行中的缓存访问模式,窃取系统中未授权的敏感信息。不仅如此,以“幽灵”、“熔断”为代表的推测执行漏洞也将该攻击视为信息泄露链中的重要一环。不断增加的安全威胁表明了构建安全缓存的迫切性。跨核缓存时间侧信道攻击克服了物理核同驻的约束,是当前最具威胁的缓存时间侧信道攻击场景。尽管工业和学术界已逐渐重视该攻击引起的安全隐患,并提出了许多缓解策略,但依旧存在两个缺陷:1、通用性问题。出于成本、性能等因素的考虑,当前商用处理器存在包含和非包含两种缓存架构。不同缓存架构在一致性协议、替换策略等实现细节上的差异,导致了大量的攻击变种。然而,许多防御机制并未考虑不同缓存架构间的可移植性。2、防御机制自身的安全隐患。利用逆向工程,研究人员已挖掘了许多系统中未公开的实现细节,这表明任何已部署的防御机制都可能被攻击者感知,进而设计绕过它们的攻击策略。然而,当前防御机制普遍未考虑这种情况下的安全性。本文聚焦于跨核缓存时间侧信道攻击这一处理器芯片中的核心安全问题,分析攻击存在的共性行为,从微架构层面探索“安全、性能和成本”均衡的缓存设计方案,在有效缓解攻击(包含基于竞争和基于冲刷的侧信道攻击)的同时,解决上述两大缺陷。总的来说,本文的主要贡献包括:1、提出基于缓存组粒度的概率替换防御策略,缓解基于竞争的侧信道攻击。该策略使用计数表统计每个缓存组的访问量。一旦达到阈值,相应缓存组会被识别为可疑,并引入无效化请求和非缓存请求改变它的替换策略,干扰攻击者的观测结果。其中,无效化请求在发生缓存命中时会随机移除一个缓存行,而非缓存请求使得触发替换操作的缓存行直接从内存中获取数据而不再进入缓存。结合概率触发,在性能几乎不变的情况下,有效缓解了最具威胁的基于竞争的侧信道攻击。2、提出基于缓存行粒度的流量混淆防御机制,同时防御基于竞争和冲刷的侧信道攻击。观测到跨核缓存时间侧信道攻击使得被攻击缓存行在不同缓存层级和内存间频繁迁移,呈现乒乓模式。由于不同缓存架构在遭受攻击时会呈现不同类型的乒乓模式,因此需要针对性的设计流量混淆防御机制,从而破坏攻击。在包含缓存中,该机制扩展目录结构记录每个缓存行在LLC-Memory间的乒乓次数,并将达到阈值的缓存行主动预取到缓存。在非包含缓存中,该机制扩展目录结构记录每个缓存行在L2-LLC和L2-Memory间的乒乓次数。一旦达到阈值,相应缓存行会被识别为可疑,并采用主动预取到缓存和将目录项锁定在末级目录的防御动作分别处理上述两类乒乓模式。通过捕获和混淆存在可疑流量的缓存行,只需适当增加硬件成本即可同时防御基于竞争和基于冲刷的侧信道攻击。3、提出基于地址加密的动态重映射防御机制,消除流量混淆防御机制中的安全隐患。证明攻击者能够从新增的静态整流器目录中清除被保护的数据,以秒级代价绕过流量混淆防御机制。为消除这种安全隐患,提出了动态重映射防御机制。该机制采用地址加密和周期性更新密钥,动态的改变每个物理地址到整流器目录位置的映射关系。在性能和存储开销几乎没有增加的情况下,将安全性提升到能够容忍一百年以上攻击的级别。本文形成的防御方案能够为未来的安全芯片设计提供理论基础,启发体系结构从业者从“安全、性能和成本”均衡的角度思考微架构设计,同时增加我国在该领域的技术储备。
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