Công cụ dự đoán nhánh đóng vai trò gì trong các cuộc tấn công định thời CPU và làm cách nào kẻ tấn công có thể thao túng nó để rò rỉ thông tin nhạy cảm?

/ / Xuất bản năm An ninh mạng, Bảo mật hệ thống máy tính nâng cao EITC/IS/ACSS, Thời gian tấn công, Các cuộc tấn công định thời CPU, ôn thi

Bộ dự đoán nhánh là một thành phần quan trọng của kiến ​​trúc CPU hiện đại được thiết kế để nâng cao hiệu suất bằng cách suy đoán hướng của các lệnh nhánh (ví dụ: câu lệnh if-else) trước khi chúng được giải quyết. Suy đoán này cho phép CPU tìm nạp trước và thực hiện các lệnh dọc theo đường dẫn được dự đoán, từ đó giảm độ trễ nhận thấy và cải thiện thông lượng tổng thể. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hiệu suất này gây ra các lỗ hổng tiềm ẩn có thể bị khai thác trong các cuộc tấn công định thời CPU, đặc biệt trong trường hợp rò rỉ thông tin nhạy cảm.

Dự đoán nhánh hoạt động bằng cách duy trì lịch sử kết quả của nhánh và sử dụng lịch sử này để dự đoán các nhánh trong tương lai. Khi gặp một lệnh rẽ nhánh, bộ dự đoán sẽ sử dụng dữ liệu lịch sử này để đoán xem nhánh đó sẽ được thực hiện hay không. Nếu dự đoán đúng, CPU sẽ tiếp tục thực thi mà không bị gián đoạn. Nếu không chính xác, CPU phải quay lại và thực thi đường dẫn chính xác, điều này sẽ gây ra một hình phạt về hiệu suất. Hình phạt này dù nhỏ nhưng có thể bị kẻ tấn công đo lường và khai thác.

Kẻ tấn công có thể thao túng bộ dự đoán nhánh để tạo ra sự khác biệt về thời gian có thể đo lường được giữa các nhánh được dự đoán chính xác và không chính xác. Sự khác biệt này có thể được sử dụng để suy ra đường dẫn thực thi của một chương trình, từ đó có thể tiết lộ thông tin nhạy cảm. Một trong những ví dụ nổi tiếng nhất về cuộc tấn công như vậy là lỗ hổng Spectre, lỗ hổng này lợi dụng việc thực thi suy đoán và dự đoán nhánh để truy cập vào các vị trí bộ nhớ trái phép.

Trong một cuộc tấn công Spectre điển hình, kẻ tấn công trước tiên huấn luyện bộ dự đoán nhánh theo một mẫu cụ thể. Giai đoạn huấn luyện này bao gồm việc thực hiện một chuỗi các lệnh nhánh nhằm điều kiện cho bộ dự đoán đưa ra một dự đoán cụ thể. Sau khi bộ dự đoán được huấn luyện, kẻ tấn công sẽ thực thi đoạn mã nạn nhân bao gồm một nhánh phụ thuộc vào dữ liệu bí mật. Nếu bộ dự đoán đưa ra dự đoán không chính xác dựa trên quá trình đào tạo của kẻ tấn công, CPU sẽ thực hiện các lệnh truy cập bộ nhớ dựa trên dữ liệu bí mật theo cách suy đoán. Mặc dù những lệnh suy đoán này cuối cùng bị loại bỏ nhưng chúng vẫn để lại dấu vết trong bộ nhớ đệm của CPU.

Sau đó, kẻ tấn công có thể đo thời gian truy cập vào các vị trí bộ nhớ khác nhau để xác định dữ liệu nào được truy cập theo suy đoán. Kỹ thuật này, được gọi là tấn công định thời bộ đệm, cho phép kẻ tấn công suy ra dữ liệu bí mật dựa trên sự khác biệt về thời gian quan sát được. Các bước chính trong một cuộc tấn công như vậy là:

1. Đào tạo Branch Predictor: Kẻ tấn công chạy một chuỗi hướng dẫn được kiểm soát có ảnh hưởng đến trạng thái của bộ dự đoán nhánh. Ví dụ: việc thực hiện lặp đi lặp lại một lệnh nhánh với một kết quả nhất quán (ví dụ: luôn được thực hiện) sẽ tạo điều kiện cho bộ dự đoán mong đợi kết quả đó trong các lần thực thi trong tương lai.

2. Kích hoạt thực thi suy đoán: Kẻ tấn công chạy mã nạn nhân với lệnh nhánh phụ thuộc vào dữ liệu bí mật. Do kẻ tấn công đã được đào tạo trước, bộ dự đoán nhánh sẽ thực hiện sai đường dẫn theo suy đoán, bao gồm việc truy cập bộ nhớ dựa trên dữ liệu bí mật.

3. Đo thời gian truy cập bộ nhớ đệm: Sau khi thực hiện suy đoán, kẻ tấn công đo thời gian cần thiết để truy cập vào các vị trí bộ nhớ cụ thể. Thời gian truy cập nhanh hơn cho thấy rằng dữ liệu có trong bộ nhớ đệm, điều này có nghĩa là dữ liệu đó được truy cập theo suy đoán. Bằng cách phân tích những khoảng thời gian này, kẻ tấn công có thể suy ra dữ liệu bí mật.

Để minh họa điều này bằng một ví dụ cụ thể, hãy xem xét một kịch bản trong đó dữ liệu bí mật xác định chỉ mục của quyền truy cập mảng trong một nhánh. Kẻ tấn công trước tiên huấn luyện bộ dự đoán nhánh để đảm nhận một hướng nhánh nhất định. Khi mã nạn nhân chạy, bộ dự đoán nhánh sẽ thực hiện truy cập mảng một cách suy đoán dựa trên hướng đã được huấn luyện. Nếu việc suy đoán liên quan đến việc truy cập vào một phần tử mảng cụ thể thì dòng bộ đệm tương ứng sẽ được tải. Sau đó, kẻ tấn công có thể thực hiện một loạt truy cập bộ nhớ theo thời gian để xác định dòng bộ đệm nào được tải, từ đó suy ra chỉ mục bí mật.

Giảm thiểu các cuộc tấn công như vậy liên quan đến một số chiến lược. Các giải pháp dựa trên phần cứng bao gồm cải thiện sự tách biệt giữa các đường dẫn thực thi suy đoán và không suy đoán, đồng thời đảm bảo rằng việc thực thi suy đoán không ảnh hưởng đến các tài nguyên được chia sẻ như bộ đệm. Các giải pháp dựa trên phần mềm bao gồm các kỹ thuật như chèn các hướng dẫn "hàng rào" để ngăn việc thực thi suy đoán vượt qua các điểm nhất định trong mã hoặc sử dụng các phương pháp lập trình theo thời gian không đổi để đảm bảo rằng thời gian thực thi không phụ thuộc vào dữ liệu bí mật.

Sự phức tạp và phức tạp của các cuộc tấn công tính thời gian dựa trên công cụ dự đoán nhánh nhấn mạnh sự cần thiết phải nghiên cứu và phát triển liên tục về bảo mật cả phần cứng và phần mềm. Khi kiến ​​trúc CPU tiếp tục phát triển, các chiến lược bảo vệ chống lại những hình thức tấn công kênh bên này cũng như các hình thức tấn công kênh bên khác cũng phải phát triển.

Các câu hỏi và câu trả lời gần đây khác liên quan đến Các cuộc tấn công định thời CPU:

Thêm câu hỏi và câu trả lời:

Gắn thẻ theo: , , , , ,