Современные компьютерные процессоры содержат множество вычислительных блоков, называемых ядрами, которые совместно используют одни и те же аппаратные ресурсы. Межсоединение на кристалле - это компонент, который позволяет этим ядрам взаимодействовать друг с другом. Но когда программы на нескольких ядрах выполняются одновременно, есть вероятность, что они могут задерживать друг друга, когда они используют межсоединение для одновременной передачи данных по чипу.

Отслеживая и измеряя эти задержки, вредоносный агент может провести так называемую "атаку по боковому каналу" и восстановить секретную информацию, хранящуюся в программе, такую как криптографический ключ или пароль.

Исследователи Массачусетского технологического института провели реверс-инжиниринг межсоединения на кристалле, чтобы изучить, как возможна такого рода атака. Опираясь на свои открытия, они построили аналитическую модель того, как трафик передается между ядрами процессора, которую они использовали для разработки и запуска удивительно эффективных атак по побочным каналам. Затем они разработали две стратегии смягчения последствий, которые позволяют пользователю повысить безопасность без внесения каких-либо физических изменений в компьютерный чип.

"Многие текущие средства защиты побочных каналов являются специальными - мы видим здесь небольшую утечку и исправляем ее. Мы надеемся, что наш подход с этой аналитической моделью продвигает более систематическую и надежную защиту, которая устраняет целые классы атак одновременно", - говорит соавтор Майлз Дай, MEng '21.

Дай написал статью вместе с соавтором Риккардо Пакканьеллой, аспирантом Иллинойского университета в Урбана-Шампейн; Мигелем Гомесом-Гарсией, 22 года; Джоном Маккалпином, научным сотрудником Техасского центра передовых вычислений; и старшим автором Менджиа Яном, доцентом кафедры электротехники Гомера А. Бернелла по развитию карьеры. Инженерия и компьютерные науки (EECS) и член Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL). Исследование представлено на конференции по безопасности USENIX.

Зондирующие процессоры

Современный процессор подобен двумерной сетке с множеством ядер, расположенных в строках и столбцах. Каждое ядро имеет свой собственный кэш, в котором хранятся данные, а также кэш большего размера, который является общим для всего процессора. Когда программе, расположенной на одном ядре, требуется доступ к данным в кэше, который находится на другом ядре или в общем кэше, она должна использовать встроенное соединение для отправки этого запроса и извлечения данных.

Хотя это крупный компонент процессора, межсоединение на кристалле остается недостаточно изученным, потому что его трудно атаковать, объясняет Дай. Хакеру необходимо начать атаку, когда трафик от двух ядер фактически мешает друг другу, но поскольку трафик тратит так мало времени на межсоединение, трудно точно рассчитать время атаки. Межсоединение также является сложным, и существует множество путей, по которым трафик может проходить между ядрами.

Чтобы изучить, как трафик течет по межсоединению, исследователи Массачусетского технологического института создали программы, которые намеренно обращались бы к кэшам памяти, расположенным за пределами их локальных ядер.

"Тестируя различные ситуации, пробуя разные места размещения и меняя местами расположения этих программ на процессоре, мы можем понять, какие правила лежат в основе потоков трафика в интерконнекте", - говорит Дай.

Они обнаружили, что межсоединение похоже на шоссе с несколькими полосами движения, идущими в каждом направлении. Когда два потока трафика сталкиваются, интерконнект использует политику приоритетного арбитража, чтобы решить, какой поток трафика будет отправлен первым. Более "важные" запросы имеют приоритет, например, запросы от программ, критически важных для работы компьютера.

Используя эту информацию, исследователи построили аналитическую модель процессора, которая суммирует, как трафик может проходить по межсоединению. Модель показывает, какие ядра были бы наиболее уязвимы для атаки по боковому каналу. Ядро было бы более уязвимым, если бы к нему можно было получить доступ по множеству различных путей. Злоумышленник может использовать эту информацию для выбора наилучшего ядра для мониторинга, чтобы украсть информацию из программы-жертвы.

"Если злоумышленник понимает, как работает межсоединение, он может настроить себя таким образом, чтобы выполнение некоторого конфиденциального кода можно было наблюдать через конфликт межсоединений. Затем они могут извлекать, по крупицам, некоторую секретную информацию, например, криптографический ключ", - объясняет Пакканьелла.

Эффективные атаки

Когда исследователи использовали эту модель для запуска атак по боковым каналам, они были удивлены тем, как быстро сработали атаки. Они смогли восстановить полные криптографические ключи из двух разных программ-жертв.

Изучив эти атаки, они использовали свою аналитическую модель для разработки двух механизмов смягчения последствий.

В первой стратегии системный администратор использовал бы модель для определения того, какие ядра наиболее уязвимы для атак, а затем запланировал бы запуск чувствительного программного обеспечения на менее уязвимых ядрах. Для второй стратегии смягчения последствий администратор мог бы зарезервировать ядра, расположенные вокруг уязвимой программы, и запускать на этих ядрах только доверенное программное обеспечение.

Исследователи обнаружили, что обе стратегии смягчения последствий смогли значительно снизить точность атак по побочным каналам. Ни то, ни другое не требует от пользователя внесения каких-либо изменений в физическое оборудование, поэтому меры по смягчению последствий будут относительно просты в реализации, говорит Дай.

В конечном счете, они надеются, что их работа вдохновит больше исследователей на изучение безопасности встроенных межсоединений, говорит Пакканьелла.

"Мы надеемся, что эта работа показывает, как межсоединение на кристалле, которое является таким важным компонентом компьютерных процессоров, остается недооцененной поверхностью атаки. В будущем, когда мы будем создавать системы, обладающие более сильными изоляционными свойствами, мы не должны игнорировать взаимосвязь", - добавляет он.

Эта работа частично финансировалась Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС.