Según una nueva investigación, se atribuyó erróneamente al ‘prefetching effect ‘ la causa principal de varios ataques de ejecución especulativa revelados anteriormente contra procesadores modernos, como Meltdown y Foreshadow , lo que provocó que los proveedores de hardware liberaran mitigaciones y contramedidas incompletas.

La investigación, llevada a cabo por un grupo de académicos de la Graz University of Technology y CISPA Helmholtz Center for Information Security finalmente revelaron la razón exacta de por qué las direcciones del kernel se almacenan en caché en primer lugar. También presentaron varios ataques nuevos que explotan el problema subyacente no identificado previamente, lo que permite a los atacantes detectar datos confidenciales.

Esta nueva investigación explica que los ataques de microarquitectura en realidad fueron causados ​​por la ‘speculative dereferencing‘ de los registos del kernel en espacio de usuario, lo que no solo afecta a las CPU Intel más recientes con las últimas mitigaciones de hardware, sino también a varios procesadores modernos de ARM, IBM y AMD, que anteriormente se creía que no estaban afectados. Este ‘prefetching effect‘ en realidad no está relacionado con las ‘software prefetch instructions‘ o los efectos de ‘hardware prefetching‘ debido a los accesos a la memoria y, en cambio, es causado por la ‘speculative dereferencing‘ de los registros en espacio de usuario dentro de el kernel. «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«.

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

• Descubrimiento de varios ataques nuevos que explotan la causa principal 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 caché L1.
• 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 funcional en las CPU Intel para filtrar datos confidenciales de los búferes internos o la memoria, sino que también impacta en las CPU que no son Intel.
• El problema de la ‘speculative dereferencing‘, en ciertos ataques como Rowhammer , ataques de caché y DRAMA, es que podría permitir a los atacantes recuperar las direcciones físicas de las variables de JavaScript y exfiltrar información a través de la ejecución transitoria 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 las mitigaciones recomendadas están habilitadas. 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 ‘aprefetch gadgets‘.

El ataque de traducción de direcciones

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. Vamos a intentar explicar algo tán tecnico, de la mejor manera posible.

La traducción de direcciones, actúa como una capa intermedia que mapea el espacio de direcciones virtuales, que es utilizado por un programa, a la dirección física en la memoria.

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 el kernel. 

Si bien los kernels del sistema operativo se pueden proteger contra ataques de canal lateral de  ‘prefetch‘ 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 encontraron 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 ‘prefetch instructions‘, el nuevo hallazgo demuestra lo contrario, validando así que KAISER no es una contramedida adecuada contra los ataques de canal lateral de microarquitectura en el aislamiento del kernel.

En su lugar, explota un dispositivo 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 además lleva a cabo ataques Meltdown y Foreshadow (L1 Terminal Fault) sin importar los nuevos parches de mitigacíon y seguridad L1TF.

Spectre-BTB-SA-IP es una variante de la vulnerabilidad de Spectre que explota el ‘Branch Target Buffer‘ (un componente similar a la caché en las CPU que se utiliza para la predicción de ‘Branch‘) para realizar ataques dentro del mismo espacio de direcciones y la misma ubicación de la ‘Branch‘.

«El mismo efecto de captura 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 el L1. Esto vuelve a habilitar Foreshadow incluso con las mitigaciones de Foreshadow habilitadas si las mitigaciones de Specter-BTB 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 las mitigaciones de Spectre-v2 están deshabilitadas».

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 retransmitiendo 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 de Intel utilizando un registro que está desreferenciado especulativamente (llamado «Dereference Trap»), usándolo para recuperar un valor de 32 bits almacenado en un registro de 64 bits en 15 minutos. 

Por último, algunos de estos ataques ahora se pueden montar de forma remota usando JavaScript en un navegador web y «llenar registros de 64 bits con un valor controlado por el atacante en JavaScript mediante WebAssembly».

Activar las mitigaciónes de Spectre-BTB incluida Retpoline

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.

Más información:

Intel, ARM, IBM, AMD Processors Vulnerable to New Side-Channel Attacks https://thehackernews.com/2020/08/foreshadow-processor-vulnerability.html

Speculative Dereferencing of Registers: Reviving Foreshadow Paper https://arxiv.org/pdf/2008.02307.pdf

Prefetch Side-Channel Attacks: Bypassing SMAP and Kernel ASLR https://gruss.cc/files/prefetch.pdf

Meltdown y Spectre: Graves vulnerabilidades en los procesadores de los principales fabricantes https://unaaldia.hispasec.com/2018/01/meltdown-y-spectre-graves-vulnerabilidades-en-los-procesadores-de-los-principales-fabricantes.html

Foreshadow, nuevo ataque basado en la ejecución especulativa https://unaaldia.hispasec.com/2018/08/foreshadow-nuevo-ataque-basado-en-la-ejecucion-especulativa.html

Retpoline: a software construct for preventing branch-target-injection https://support.google.com/faqs/answer/7625886