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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)

Libgcrypt 與 GnuPG 的安全性問題

在「Security fixes for Libgcrypt and GnuPG 1.4 [CVE-2016-6316]」這邊看到這個歷史悠久的 bug:

Felix Dörre and Vladimir Klebanov from the Karlsruhe Institute of Technology found a bug in the mixing functions of Libgcrypt's random number generator: An attacker who obtains 4640 bits from the RNG can trivially predict the next 160 bits of output. This bug exists since 1998 in all GnuPG and Libgcrypt versions.

就這樣的行為,對於自己用的機器應該是還好... 不過得到 4640 bits 後就可以預測接下來的 160 bits,這個 RNG 有點囧 @_@

官方目前是認為應該還好:

A first analysis on the impact of this bug in GnuPG shows that existing RSA keys are not weakened. For DSA and Elgamal keys it is also unlikely that the private key can be predicted from other public information. This needs more research and I would suggest _not to_ overhasty revoke keys.

不過如果你有絕對的安全需求的話還是可以考慮 revoke 再重新生一把...

PGP 短 ID 的安全問題

PGP 短 ID 的安全問題出來了,不見棺材不掉淚啊:「Fake Linus Torvalds' Key Found in the Wild, No More Short-IDs.」。

重點在這段,已經有人發出攻擊了:

Search Result of 0x00411886: https://pgp.mit.edu/pks/lookup?search=0x00411886&op=index
Fake Linus Torvalds: 0F6A 1465 32D8 69AE E438  F74B 6211 AA3B [0041 1886]
Real Linus Torvalds: ABAF 11C6 5A29 70B1 30AB  E3C4 79BE 3E43 [0041 1886]

Search Result of 0x6092693E: https://pgp.mit.edu/pks/lookup?search=0x6092693E&op=index
Fake Greg Kroah-Hartman: 497C 48CE 16B9 26E9 3F49  6301 2736 5DEA [6092 693E]
Real Greg Kroah-Hartman: 647F 2865 4894 E3BD 4571  99BE 38DB BDC8 [6092 693E]

另外作者給了還蠻重要的觀念:

DO NOT TRUST ANYTHING SHORTER THAN THE FINGERPRINTS.

《第四公民》(Citizenfour)

第四公民》(Citizenfour) 這部電影描述了 Edward Snowden 在 2013 年披露稜鏡計畫的過程以及後續的效應,雖然是紀錄片,但整件事情還在進行發展中。

以最佳紀錄片的身份橫掃 2014 與 2015 的獎項,包括了奧斯卡金像獎與英國電影學院獎:

去年在美國上映時就查過資料,但當時沒找到在台灣上映的計畫。

前幾天發現沒跟上四月 11 日的 2015 金馬奇幻影展 (應該是台灣區的首映),昨天就跑去華山看:「《第四公民》首週上映時刻表」。

紀錄片裡描述了雙方第一次會面的珍貴影像畫面,以及當時雙方溝通的細節。

整部片子裡穿插了 GnuPGTails 這些工具,用來保護通訊的隱私與安全。以及當你可能被 APT 時要保護自己的一些手段。

在這個行業的人都應該去看一看這個歷史事件的紀錄片。

利用機器噪音的 Side-channel attack,解 GnuPG 的 RSA key...

Daniel GenkinAdi ShamirEran Tromer 發表的論文:「RSA Key Extraction via Low-Bandwidth Acoustic Cryptanalysis」。

在維基百科上有「Acoustic cryptanalysis」的條目,不過好像還沒補上這次的事情...

2004 年的 Eurocrypt 時,後面兩位就已經發表過「Acoustic cryptanalysis - On nosy people and noisy machines」,可以針對機器的噪音取得「部份資訊」:

這次攻擊者利用「麥克風」可以對機器的聲音攻擊 (side-channel attack),進而「得到完整的 private key」:

左邊那台機器... 好像是隻手機啊... @_@

收音的設備愈好,效果愈好:

這次直接把 GnuPG 打趴真是太過分了... (被 assign 了 CVE-2013-4576)

Adi Shamir 老人家還是很活躍啊...

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