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讀書時間:Spectre 的攻擊方式

上次寫了 Meltdown 攻擊的讀書心得 (參考「讀書時間:Meltdown 的攻擊方式」),結果後來中獎狂流鼻水,加上 Spectre 用的手法就更複雜,慢慢看的情況就拖到最近才看完... 這邊就以讀者看過 Meltdown 那篇心得的前提來描述 Spectre。

Spectre 的精華在於 CPU 支援 branch prediction 與 out-of-order execution,也就是 CPU 遇到 branch 時會學習怎麼跑,這個資訊提供給 out-of-order execution 就可以大幅提昇執行速度。可以參考以前在「CPU Branch Prediction 的成本...」提到的效率問題。

原理的部份可以看這段程式碼:

這類型程式碼常常出現在現代程式的各種安全檢查上:確認 x 沒問題後再實際將資料拉出來處理。而我們可以透過不斷的丟 x 值進去,讓 CPU 學到以為都是 TRUE,而在 CPU 學壞之後,突然丟進超出範圍的 x,產生 branch misprediction,但卻已經因為 out-of-order execution 而讓 CPU 執行過 y = ... 這段指令,進而導致 cache 的內容改變。

然後其中讓人最驚豔的攻擊,就是論文示範了透過瀏覽器的 JavaScript 就能打的讓人不要不要的...

圖片裡,上面這段是 JavaScript 程式碼,下面則是 Chrome V8JIT 後轉成的 assembly (這是 AT&T style):

可以從這段程式碼看到,他想要透過這段 JavaScript 取出本來無法存取到的祕密值 index,然後透過 probeTable 得知 cache 的變化。

在這樣的攻擊下,你就可以取得這個 process 裡可以看到的空間,甚至極端的 case 下有可能是 kernel space (配合 Meltdown 的條件)。

不過如果你不能跑 JavaScript 也沒關係,Spectre 的論文裡也提供各種變形方式提供攻擊。像是這樣的程式碼也可以被拿來攻擊:

if (false but mispredicts as true)
    read array1[R1]
read [R2]

其中 R1 是有帶有祕密值的 register,當 array[R1] 有 cache 時,讀 [R2] 就有機會比較快,而沒有 cache 時就會比較慢 (這是因為 memory bus 被佔用的關係),在這個情境下就能夠產生 timing attack:

Suppose register R1 contains a secret value. If the speculatively executed memory read of array1[R1] is a cache hit, then nothing will go on the memory bus and the read from [R2] will initiate quickly. If the read of array1[R1] is a cache miss, then the second read may take longer, resulting in different timing for the victim thread.

所以相同道理,利用乘法器被佔用的 timing attack 也可以產生攻擊:

if (false but mispredicts as true)
    multiply R1, R2
multiply R3, R4

在論文裡面提到相當多的方法 (甚至連 branch target buffers (BTB) 都可以拿來用),就麻煩去論文裡看了。現在用 cache 算是很有效的方式,所以攻擊手法主要都是透過 cache 在取得資訊。

Spectre 論文提到的 mitigation (workaround) 是透過 mfencelfence 強制程式碼的順序,但這表示 compiler 要針對所有的 branch 加上這段,對效能影響應該蠻明顯的:

In addition, of the three user-mode serializing instructions listed by Intel, only cpuid can be used in normal code, and it destroys many registers. The mfence and lfence (but not sfence) instructions also appear to work, with the added benefit that they do not destroy register contents. Their behavior with respect to speculative execution is not defined, however, so they may not work in all CPUs or system configurations.

Google 推出的 Retpoline 則是想要避免這個問題。Google 在「Retpoline: a software construct for preventing branch-target-injection」這邊詳細說明了 Retpoline 的原理與方法,採取的方向是控制 speculative execution:

However, we may manipulate its generation to control speculative execution while modifying the visible, on-stack value to direct how the branch is actually retired.

這個方式是抽換掉 jmpcall 兩個指令,以 *%r11 為例,他將 jmp *%r11call *%r11 改成 jmp retpoline_r11_trampolinecall retpoline_r11_trampoline (這邊的 jmp 指的是所有 jump 系列的指令,像是 jz 之類的):

retpoline_r11_trampoline:
  call set_up_target;
capture_spec:        
  pause;
  jmp capture_spec;
set_up_target:
  mov %r11, (%rsp); 
  ret;

藉由抽換 %rsp 內容跳回正確位置,然後也利用這樣的程式結構控制 CPU 的 speculative execution。

而在效能損失上,已經有測試報告出來了。其實並沒有像 Google 說的那麼無痛,還是會因為應用差異而有不同等級的效能損失... 可以看到有些應用其實還是很痛:「Benchmarking Linux With The Retpoline Patches For Spectre」。

下半年新出的 CPU 應該會考慮這些問題了吧,不過不知道怎麼提供解法 @_@

Ubuntu 開始更新 Kernel 了...

這波 CPU 安全問題,UbuntuLinux Kernel 的更新計畫 (workaround patch) 放在「Information Leak via speculative execution side channel attacks (CVE-2017-5715, CVE-2017-5753, CVE-2017-5754 aka Spectre and Meltdown)」這邊。

不是所有版本的 kernel 都有更新,像是我之前跑 4.10 發現這次沒在清單內,就換成 linux-image-generic-hwe-16.04-edge 了... 換完後需要再裝 linux-headers-generic-hwe-16.04-edge,然後把舊的 kernel 都清乾淨,最後 nvidia-387 需要重新編過。

這次苦哈哈啊...

Meltdown 與 Spectre 都有用到的 FLUSH+RELOAD

MeltdownSpectre 攻擊裡都有用到的 FLUSH+RELOAD 技巧。這個技巧是出自於 2013 年的「Flush+Reload: a High Resolution, Low Noise, L3 Cache Side-Channel Attack」。當時還因此對 GnuPG 發了一個 CVE-2013-4242

FLUSH+RELOAD 是希望透過 shared memory & cache 得到 side channel information,藉此突破安全機制。

論文裡面提到兩個攻擊模式,一種是在同一個 OS 裡面 (same-OS),另外一種是在同一台機器,但是是兩個不同的 VM (cross-VM)。攻擊的前提是要拿到與 GnuPG process 相同的 shared memory。兩個環境的作法都是透過 mmap() GnuPG 的執行檔以取得 shared memory。

在 same-OS 的情況下會使用同一個 process:

To achieve sharing, the spy mmaps the victim’s executable file into the spy’s virtual address space. As the Linux loader maps executable files into the process when executing them, the spy and the victim share the memory image of the mapped file.

在 cross-VM 的情況下會因為 hypervisor 會 dedup 而產生 shared memory:

For the cross-VM scenario we used two different hypervisors: VMware ESXi 5.1 on the HP machine and Centos 6.5 with KVM on the Dell machine. In each hypervisor we created two virtual machines, one for the victim and the other for the spy. The virtual machines run CentOS 6.5 Linux. In this scenario, the spy mmaps a copy of the victim’s executable file. Sharing is achieved through the page de-duplication mechanisms of the hypervisors.

接下來就能夠利用 cache 表演了。基本原理是「存取某一塊記憶體內容,然後計算花了多久取得,就能知道這次存取是從 L1、L2、L3 還是記憶體取得」。所以 FLUSH+RELOAD 就設計了三個步驟:

  • During the first phase, the monitored memory line is flushed from the cache hierarchy.
  • The spy, then, waits to allow the victim time to access the memory line before the third phase.
  • In the third phase, the spy reloads the memory line, measuring the time to load it.

先 flush 掉要觀察的記憶體位置 (用 clflush),然後等待一小段時間,接著掃記憶體區塊,透過時間得知有哪些被存取過 (就會比較快)。這邊跟 cache 架構有關,你不能想要偷看超過 cache 大小的量 (這樣會被 purge 出去),所以通常是盯著關鍵的部份就好。

接著是要搞 GnuPG,先看他在使用 RSA private key 計算的程式碼:

而依照這段程式碼挑好位置觀察後,就開始攻擊收資訊。隨著時間變化就可以看到這樣的資訊:

然後可以觀察出執行的順序:

於是就能夠依照執行順序推敲出 RSA key 了,而實際測試的成果是這樣,在一次的 decrypt 或是 sign 就把 RSA key 還原的差不多了 (96.7%):

We demonstrate the efficacy of the FLUSH+RELOAD attack by using it to extract the private encryption keys from a victim program running GnuPG 1.4.13. We tested the attack both between two unrelated processes in a single operating system and between processes running in separate virtual machines. On average, the attack is able to recover 96.7% of the bits of the secret key by observing a single signature or decryption round.

知道了這個方法後,看 Meltdown 或是 Spectre 才會知道他們用 FLUSH+RELOAD 的原因... (因為在 Meltdown 與 Spectre 裡面就只有帶過去)

Spectre 與 Meltdown 兩套 CPU 的安全漏洞

The Register 發表了「Kernel-memory-leaking Intel processor design flaw forces Linux, Windows redesign」這篇文章,算是頗完整的說明了這次的安全漏洞 (以 IT 新聞媒體標準來看),引用了蠻多資料並且試著說明問題。

而這也使得整個事情迅速發展與擴散超出本來的預期,使得 GoogleProject Zero 提前公開發表了 Spectre 與 Meltdown 這兩套 CPU 安全漏洞。文章非常的長,描述的也比 The Register 那篇還完整:「Reading privileged memory with a side-channel」。

在 Google Project Zero 的文章裡面,把這些漏洞分成三類,剛好依據 CVE 編號分開描述:

  • Variant 1: bounds check bypass (CVE-2017-5753)
  • Variant 2: branch target injection (CVE-2017-5715)
  • Variant 3: rogue data cache load (CVE-2017-5754)

前兩個被稱作 Spectre,由 Google Project Zero、Cyberus Technology 以及 Graz University of Technology 三個團隊獨立發現並且回報原廠。後面這個稱作 Meltdown,由 Google Project Zero 與另外一個團隊獨立發現並且回報原廠。

這兩套 CPU 的安全漏洞都有「官網」,網址不一樣但內容一樣:spectreattack.commeltdownattack.com

影響範圍包括 IntelAMD 以及 ARM,其中 AMD 因為架構不一樣,只有在特定的情況下會中獎 (在使用者自己打開 eBPF JIT 後才會中):

(提到 Variant 1 的情況) If the kernel's BPF JIT is enabled (non-default configuration), it also works on the AMD PRO CPU.

這次的洞主要試著透過 side channel 資訊讀取記憶體內容 (會有一些條件限制),而痛點在於修正 Meltdown 的方式會有極大的 CPU 效能損失,在 Linux 上對 Meltdown 的修正的資訊可以參考「KAISER: hiding the kernel from user space」這篇,裡面提到:

KAISER will affect performance for anything that does system calls or interrupts: everything. Just the new instructions (CR3 manipulation) add a few hundred cycles to a syscall or interrupt. Most workloads that we have run show single-digit regressions. 5% is a good round number for what is typical. The worst we have seen is a roughly 30% regression on a loopback networking test that did a ton of syscalls and context switches.

KAISER 後來改名為 KPTI,查資料的時候可以注意一下。

不過上面提到的是實體機器,在 VM 裡面可以預期會有更多 syscall 與 context switch,於是 Phoronix 測試後發現在 VM 裡效能的損失比實體機器大很多 (還是跟應用有關,主要看應用會產生多少 syscall 與 context switch):「VM Performance Showing Mixed Impact With Linux 4.15 KPTI Patches」。

With these VM results so far it's still a far cry from the "30%" performance hit that's been hyped up by some of the Windows publications, etc. It's still highly dependent upon the particular workload and system how much performance may be potentially lost when enabling page table isolation within the kernel.

這對各家 cloud service 不是什麼好消息,如果效能損失這麼大,不太可能直接硬上 KPTI patch... 尤其是 VPS,對於平常就會 oversubscription 的前提下,KPTI 不像是可行的方案。

可以看到各 VPS 都已經發 PR 公告了 (先發個 PR 稿說我們有在注意,但都還沒有提出解法):「CPU Vulnerabilities: Meltdown & Spectre (Linode)」、「A Message About Intel Security Findings (DigitalOcean)」、「Intel CPU Vulnerability Alert (Vultr)」。

現在可以預期會有更多人投入研究,要怎麼樣用比較少的 performance penalty 來抵抗這兩套漏洞,現在也只能先等了...

IEEE P1735 漏洞,又是 Padding Oracle Attack...

在「IEEE P1735 Encryption Is Broken—Flaws Allow Intellectual Property Theft」這邊看到 US-CERT 發表的「IEEE P1735 implementations may have weak cryptographic protections」,裡面提到的主要漏洞:

The methods are flawed and, in the most egregious cases, enable attack vectors that allow recovery of the entire underlying plaintext IP.

主要應該是第一包:

CVE-2017-13091: improperly specified padding in CBC mode allows use of an EDA tool as a decryption oracle.

又是 CBCpadding oracle attack 啊... 看起來是標準沒有強制定義好造成的?

The main vulnerability (CVE-2017-13091) resides in the IEEE P1735 standard's use of AES-CBC mode.

Since the standard makes no recommendation for any specific padding scheme, the developers often choose the wrong scheme, making it possible for attackers to use a well-known classic padding-oracle attack (POA) technique to decrypt the system-on-chip blueprints without knowledge of the key.

去年 Cloudflare 寫的「Padding oracles and the decline of CBC-mode cipher suites」這邊有提到 padding oracle attack 的方式,比較一般性的解法是避開要自己決定 Encrypt-then-MAC (IPsec;也是數學上證明安全性) 或 Encrypt-and-MAC (SSH) 或是 MAC-then-Encrypt (SSL),而是用 AEAD 類的加密元件直接躲開 padding oracle attack 的某些必要條件 (像是 AES-GCM 或是 ChaCha20-Poly1305)。

不過這也是這幾年大家才了解這樣做的重要性,當年在訂規格的時候都比較沒在在意這些...

The DUHK Attack:因為亂數產生器的問題而造成的安全漏洞

Bruce Schneier 那邊看到的:「Attack on Old ANSI Random Number Generator」,攻擊的網站在「The DUHK Attack」,論文在「Practical state recovery attacks against legacy RNG implementations (PDF)」。

攻擊的對象是 ANSI X9.31 Random Number Generator:

DUHK (Don't Use Hard-coded Keys) is a vulnerability that affects devices using the ANSI X9.31 Random Number Generator (RNG) in conjunction with a hard-coded seed key.

然後攻擊的對象是 FortinetFortiOS

Traffic from any VPN using FortiOS 4.3.0 to FortiOS 4.3.18 can be decrypted by a passive network adversary who can observe the encrypted handshake traffic.

如果照說明的只到 4.3.18,那麼去年 11 月更新的 4.3.19 (參考「FortiOS 4.3.19 Release Notes」) 應該是修正了?不過裡面沒翻到類似的資料,是剛好把 RNG 換掉了嗎?

WPA2 安全漏洞

話說 WPA2 也撐了十三年了:

WPA2 became available in 2004 and is a common shorthand for the full IEEE 802.11i (or IEEE 802.11i-2004) standard.

這次的漏洞可以參考「Severe flaw in WPA2 protocol leaves Wi-Fi traffic open to eavesdropping」這邊。

PoC 稱作 KRACK (Key Reinstallation Attacks),漏洞將會在十一月正式發表,從會議的標題名稱大概可以知道方向,是對 Nonce 下手:「Key Reinstallation Attacks: Forcing Nonce Reuse in WPA2」。另外站台 www.krackattacks.com 已經放好,等後續的發表更新了。

對於無線網路的各種漏洞,老方法還是目前最有效的方法,也是這次的 workaround 之一:上強度足夠的 VPN。

Update:補上論文「Key Reinstallation Attacks: Forcing Nonce Reuse in WPA2」。

現有語音控制的安全性問題:使用聽不見的高頻下令

雖然相關的理論很早就有了,但上個禮拜放出來的論文完整實做出來,叫做 DolphinAttack,取自於海豚可以聽見人類所聽不到的聲音:「DolphinAtack: Inaudible Voice Commands」(這邊的錯字是作者造成的,submit 到 arXiv 的標題有錯,但論文內描述則是對的)。

無論是 Siri 或是 Google Now,或是其他的控制軟體,都設計成能接受多種不同語調的人,而這個部份目前放的都太寬,造成人類聽不到的區段也可以下令:

也可以看到成功機率很高:

應該會有些調整...

V8 對 Hash Flooding 的防禦措施

Hash Flooding 問題是指 Hash 這個資料結構是可以被預測 collision 所造成的問題,在隨機的情況下會是 O(1) 的操作,在特定挑選故意讓他 collision 而變成 O(n),當有 n 個元素時,乘起來就會變成 O(n^2)。這算是一種阻斷攻擊 (DoS attack)。

在「About that hash flooding vulnerability in Node.js...」這邊提到了 V8 之前為了避免 Hash Flooding 的問題,關掉了 Startup snapshot 而造成的效能問題,以及後續的很多故事,最後找了長期的解法。

這個解法已經併入 Node.js 裡,預定下個包括的版本是 8.3.0:

The patch to re-enable startup snapshot has been merged into Node.js. It is part of the recent Node.js v8.3.0 release.

不過這表示現有的 LTS (4.8.4 以及 6.11.2) 還是... XD

透過 DMCA takedown notice 非法下掉 Easylist 內的過濾條件

參考「Ad blocking is under attack」這邊,有業主 functionalclam.com 透過 DMCA takedown notice 發信要求 Easylist 移除過濾條件 (參考「2017-08-02-LevenLabs.md」),對應的 commit 參考「M: Removed due to DMCA takedown request」) 這邊。

這件事情再次證實了 DMCA takedown notice 被濫用的情況,明明不是侵權的情況卻被拿來濫用 (因為對原提出者唯一的處罰必須過反過來提告,然後要得自己舉證因為這樣受損)。

目前看起來 EFF 願意介入,就來看看後續了。

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