Procesadores Intel, ARM, IBM, AMD vulnerables a nuevos ataques de canal lateral

Procesadores Intel, ARM, IBM, AMD vulnerables a nuevos ataques de canal lateral
Ataques de canal lateral en las CPUs
Modificado por última vez en Viernes, 07 Agosto 2020 12:03
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Son causados por la desreferenciación especulativa de los registros de espacio de usuario en el kernel

Resulta que la causa raíz de varios ataques de ejecución especulativa previamente revelados contra modernos procesadores, como Meltdown y Foreshadow, se atribuyeron erróneamente al 'efecto de búsqueda previa', lo que provocó que los proveedores de hardware liberaran mitigaciones y contramedidas incompletas.

Ahora, un grupo de académicos de la Universidad de Tecnología de Graz y el Centro CISPA Helmholtz para la Seguridad de la Información, finalmente han descubierto la razón exacta detrás de por qué las direcciones del kernel se almacenan en caché en primer lugar, y también presentó varios ataques nuevos que explotan el problema subyacente no identificado previamente, lo que permite a los atacantes detectar datos confidenciales.

La nueva investigación explica [PDF] que los ataques de microarquitectura en realidad fueron causados por la desreferencia especulativa de los registros de espacio de usuario en el kernel, que no solo afecta a las CPU Intel más recientes con las últimas mitigaciones de hardware, sino que también afecta a varios procesadores modernos de ARM, IBM y AMD, que anteriormente se creía que no se veían afectados.

"Descubrimos que los efectos reportados en varios artículos académicos durante los últimos 4 años no se entendieron correctamente, lo que llevó a suposiciones incorrectas sobre las contramedidas", dijeron los investigadores.

"Este efecto de captación previa [PDF] en realidad no está relacionado con las instrucciones de captación previa de software o los efectos de captación previa de hardware debido a los accesos a la memoria y, en cambio, es causado por la desreferenciación especulativa de los registros de espacio de usuario en el kernel".

Además de analizar la causa raíz real del efecto de captura previa, algunos otros hallazgos clave de la investigación son:

• Descubrimiento de varios ataques nuevos que explotan la causa raíz subyacente, incluido un ataque de traducción de direcciones en contextos más restringidos, filtración directa de valores de registro en escenarios específicos y un exploit de Foreshadow de extremo a extremo dirigido a datos que no son de nivel 1.

• Un nuevo ataque de canal encubierto entre núcleos que, en algunos casos, podría permitir a los atacantes observar el almacenamiento en caché de la dirección (o valor) almacenada en un registro sin depender de la memoria compartida.

• Los dispositivos de 'prefetch' de Spectre pueden filtrar directamente datos reales, lo que no solo hace que el ataque ZombieLoad sea eficiente en las CPU de Intel para filtrar datos confidenciales de los búferes internos o la memoria, sino que también impacta en las CPU que no son de Intel.

• El problema de la desreferenciación especulativa, en ciertos ataques como Rowhammer, ataques de caché y DRAMA, podría permitir a los atacantes recuperar las direcciones físicas de las variables de JavaScript y exfiltrar información a través de la ejecución transitoria [PDF] de forma remota a través de un navegador web.

Además, los investigadores también demostraron que la vulnerabilidad Foreshadow en las CPU Intel podría explotarse incluso cuando estén habilitadas las mitigaciones recomendadas. Esto es posible debido al hecho de que el ataque se puede montar en datos que no residen en la caché L1 en versiones del kernel que contienen gadgets de "captación previa".

Del ataque de traducción de direcciones al Foreshadow

La idea detrás de esto es sencilla. El software del sistema se basa en el mecanismo de traducción de direcciones de la CPU para implementar el aislamiento entre diferentes procesos. Cada proceso tiene su propio espacio de memoria virtual y no puede acceder a direcciones de memoria física arbitrarias fuera de él.

La traducción de direcciones, por lo tanto, actúa como una capa intermedia que asigna el espacio de direcciones virtuales, que es utilizada por un programa, a la dirección física a una dirección física.

El espacio de direcciones virtuales también incluye un espacio de direcciones del kernel para alojar los subprocesos del kernel de Linux, lo que facilita que el hardware subyacente maneje las instrucciones privilegiadas de los subprocesos del usuario en modo kernel.

Mientras que los kernels del sistema operativo se pueden proteger contra ataques de canal lateral de captación previa a través de una técnica llamada aislamiento de tabla de páginas del kernel (KPTI o KAISER) - que impone un aislamiento estricto del kernel y del espacio de usuario, de modo que el hardware no contiene ninguna información sobre las direcciones del kernel mientras se ejecuta en modo de usuario - los investigadores descubrieron que no garantiza una protección total contra los ataques de traducción de direcciones, donde un atacante intenta verificar si dos direcciones virtuales diferentes se asignan a la misma dirección física.

Dicho de otra manera, el "ataque de traducción de direcciones permite que las aplicaciones sin privilegios obtengan direcciones del kernel arbitrarias en la caché y, por lo tanto, resuelvan direcciones virtuales a físicas en sistemas Linux de 64 bits".

Si bien la línea de pensamiento original era que tales ataques estaban relacionados con instrucciones de captación previa, el nuevo hallazgo demuestra lo contrario, validando así que KAISER no es una contramedida adecuada contra los ataques de canal lateral microarquitectura en el aislamiento del núcleo.

En su lugar, explota un gadget Spectre-BTB-SA-IP (Branch Target Buffer, misma dirección, en el lugar) para provocar una fuga de información, lo que provoca una ejecución especulativa, y lleva a cabo más ataques Meltdown y Foreshadow (L1 Terminal Fault) evitando las actuales mitigaciones de L1TF.

Specter-BTB-SA-IP es una variante de la vulnerabilidad de Specter que explota el Branch Target Buffer, un componente similar a la caché en las CPU que se usa para la predicción de sucursales, para realizar ataques dentro del mismo espacio de direcciones y la misma ubicación de sucursal.

"El mismo efecto de captación previa se puede utilizar para realizar Foreshadow", dijeron los investigadores. "Si un secreto está presente en la caché L3 y la dirección del mapa físico directo se desprotege en el kernel del hipervisor, los datos se pueden recuperar en la L1. Esto vuelve a habilitar Foreshadow incluso con las mitigaciones de Foreshadow habilitadas si las mitigaciones de Spectre-BTB no relacionadas están deshabilitadas".

"La consecuencia es que podemos montar un ataque Foreshadow en kernels más antiguos parcheados contra Foreshadow con todas las mitigaciones habilitadas y en un kernel completamente parcheado si solo se deshabilitan las mitigaciones de Spectre-v2".

Habilitar las mitigaciones de Specter-BTB como Retpoline

Para resaltar el impacto de los ataques de canal lateral, los investigadores establecieron un canal encubierto basado en caché que exfiltraba datos de un proceso que se ejecutaba en una CPU Intel Core i7-6500U a otro proceso sigiloso, logrando una velocidad de transmisión de 10 bit/s para retransmitir un total de 128 bytes desde el proceso emisor al receptor.

Además, los investigadores revelaron que es posible filtrar el contenido del registro de un enclave SGX de CPU Intel utilizando un registro que está desreferenciado especulativamente (llamado "Trampa de desreferencia"), usándolo para recuperar un valor de 32 bits almacenado en un registro de 64 bits dentro de 15 minutos.

Por último, 'ciertos ataques' ahora se pueden montar de forma remota utilizando JavaScript en un navegador web y "llenar registros de 64 bits con un valor controlado por el atacante en JavaScript mediante WebAssembly".

Para mitigar estos ataques, se recomienda que las CPU actuales habiliten las mitigaciones de Specter-BTB, incluida Retpoline (abreviatura de "trampolín de retorno"), que tiene como objetivo evitar la inyección de objetivo de rama aislando las ramas indirectas de la ejecución especulativa.


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