研究揭露AMD處理器存在漏洞易受2種新型側(cè)信道攻擊

張曉藝

根據(jù)最新發(fā)布的研究，從2011- 2019年，AMD處理器一直存在以前從未公開(kāi)的漏洞，這些漏洞使它們?nèi)菀资艿?種新型的側(cè)信道攻擊。

這種新型的潛在攻擊手段被稱(chēng)為T(mén)ake A Way，利用AMD Bulldozer微體系結(jié)構(gòu)中的L1數(shù)據(jù)（L1D）緩存預(yù)測(cè)變量，從處理器獲取敏感數(shù)據(jù)，并在恢復(fù)加密過(guò)程中使用密鑰，這會(huì)對(duì)設(shè)備安全產(chǎn)生極大威脅。

這項(xiàng)研究由格拉茨技術(shù)大學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與隨機(jī)系統(tǒng)研究所（IRISA）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表，他們于2019年8月向AMD披露了這些漏洞。

AMD在其網(wǎng)站上發(fā)布的一份咨詢(xún)報(bào)告中說(shuō)：“我們注意到一份新的白皮書(shū)，該白皮書(shū)聲稱(chēng)可以利用AMD CPU的潛在漏洞，惡意行為者借此可以操縱與緩存相關(guān)的功能，從而可能以意想不到的方式傳輸用戶(hù)數(shù)據(jù)。”

“然后，研究人員將該數(shù)據(jù)路徑與現(xiàn)有的恢復(fù)軟件或推測(cè)的側(cè)通道漏洞進(jìn)行配對(duì)。AMD認(rèn)為這些不是新型攻擊?！?/p>

盡管該通知并未具體說(shuō)明防范攻擊的細(xì)節(jié)，但該論文的主要研究人員之一Vedad示，對(duì)該漏洞的利用仍然很活躍。

隨著英特爾CPU審查出一系列漏洞問(wèn)題，從Meltdown，Spectre，ZombieLoad到最近無(wú)法修補(bǔ)的CSME固件缺陷，該研究提醒人們，處理器架構(gòu)要完全沒(méi)有威脅是不可能的。值得注意的是，研究中列出的一些合作者也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Meltdown，Spectre，ZombieLoad漏洞。

Collide+Probe和Load+Reload

與Intel Spectre攻擊一樣，這2種新型攻擊被稱(chēng)為Collide+Probe和Load+Reload，利用上述提及的L1D緩存預(yù)測(cè)變量，可以訪(fǎng)問(wèn)原本不可訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)。

研究人員概述說(shuō)：“借助Collide+Probe，攻擊者可以在分時(shí)共享邏輯內(nèi)核時(shí)監(jiān)視受害者的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，而無(wú)需了解物理地址或共享內(nèi)存。通過(guò)Load+Reload，我們利用預(yù)測(cè)器的方式在同一物理內(nèi)核上獲得受害者的高精度內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)跟蹤?！?/p>

L1D緩存預(yù)測(cè)變量是一種優(yōu)化機(jī)制，旨在減少與訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)相關(guān)的功耗：“預(yù)測(cè)變量使用虛擬地址上未記錄的哈希函數(shù)來(lái)計(jì)算μTag。該μTag用于在預(yù)測(cè)表中查找L1D緩存方式。因此，CPU必須僅以一種方式比較緩存標(biāo)記，而不是所有可能的方式，以此來(lái)降低功耗?！?/p>

新發(fā)現(xiàn)的緩存攻擊通過(guò)反向哈希函數(shù)工程來(lái)跟蹤L1D緩存的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)而起作用。雖然Collide+Probe在AMD的L1D緩存預(yù)測(cè)變量中利用了μTag沖突，但Load + Reload卻利用了預(yù)測(cè)變量處理內(nèi)存中別名地址的方式。

換句話(huà)說(shuō)，可以使用這2種攻擊技術(shù)從另一個(gè)進(jìn)程中竊取敏感數(shù)據(jù)，與攻擊者或在CPU的不同邏輯內(nèi)核上運(yùn)行的同一進(jìn)程，共享相同內(nèi)存。

為了證明側(cè)信道攻擊的影響，研究人員建立了一個(gè)緩存隱式通道，從AMD CPU上運(yùn)行的進(jìn)程中提取數(shù)據(jù)到另一個(gè)隱蔽的進(jìn)程中，利用80個(gè)通道實(shí)現(xiàn)最大傳輸速率588.9 kB / s，同時(shí)，在AMD Ryzen Threadripper 1920X處理器上并行執(zhí)行。

隨著越來(lái)越多的主流云平臺(tái)比如Amazon，Google，Microsoft采用AMD的EPYC處理器，在云環(huán)境中的攻擊也引起了人們的極大關(guān)注。

此外，安全研究人員能夠繞過(guò)瀏覽器中的地址空間布局隨機(jī)化（ASLR），從而成功地在某些常見(jiàn)的瀏覽器（Chrome和Firefox）上發(fā)起Collide + Probe攻擊，減少了熵并找到了地址信息。

ASLR是一種安全性操作，用于隨機(jī)化和屏蔽CPU內(nèi)存中代碼和關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)域的確切位置。換句話(huà)說(shuō)，它阻止了潛在的攻擊者猜測(cè)目標(biāo)地址并跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中的特定區(qū)域。

研究人員指出：“在Firefox中，我們能夠?qū)㈧亟档?5位，成功率為98 %，平均運(yùn)行時(shí)間為2.33 s（σ= 0.03 s，n = 1 000）。使用Chrome，可以減少數(shù)位，成功率為86.1 %，平均運(yùn)行時(shí)間為2.90 s（σ= 0.25 s，n = 1 000）。”

隨后，研究人員使用相同的Collide+Probe攻擊來(lái)嘗試泄露內(nèi)核的內(nèi)存數(shù)據(jù)，甚至從T表中恢復(fù)加密密鑰，使用AES密碼存儲(chǔ)加密操作的中間數(shù)據(jù)。

防范此類(lèi)攻擊

目前已經(jīng)可以通過(guò)各種純硬件、硬件和軟件的更改以及純軟件的解決方案來(lái)防范這2種攻擊，其中包括以允許動(dòng)態(tài)地暫時(shí)禁用預(yù)測(cè)變量的方式和清除狀態(tài)的方式設(shè)計(jì)處理器。內(nèi)核模式和用戶(hù)模式之間切換時(shí)清除預(yù)測(cè)變量的模式狀態(tài)。這不是第一次發(fā)現(xiàn)AMD處理器容易受到包括Spectre在內(nèi)的CPU攻擊的影響，因此，該公司也發(fā)布了大量補(bǔ)丁程序。