Resulta que la causa raíz detrás de varios ataques de ejecución especulativa revelados anteriormente contra procesadores modernos, como Meltdown y Foreshadow, se atribuyó erróneamente al «efecto de captación previa», lo que provocó que los proveedores de hardware lanzaran mitigaciones y contramedidas incompletas.

Compartiendo sus hallazgos con The Hacker News, un grupo de académicos de la Universidad Tecnológica de Graz y el Centro Helmholtz para la Seguridad de la Información de CISPA finalmente reveló la razón exacta por la cual las direcciones del núcleo se almacenan en caché en primer lugar, y presentó varios ataques nuevos que Explotar el problema subyacente previamente no identificado, lo que permite a los atacantes detectar datos confidenciales.

La nueva investigación explica que los ataques de microarquitectura en realidad fueron causados ​​por la desreferenciación especulativa de los registros de espacio de usuario en el kernel, 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, anteriormente se cree que no se ve afectado.

«Descubrimos que los efectos informados 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 a The Hacker News.

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

Además de analizar la causa raíz real del efecto de captación 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, fuga directa de valores de registro en escenarios específicos y un exploit Foreshadow de extremo a extremo dirigido a datos que no son L1.
• Un nuevo ataque de canal encubierto de núcleo cruzado 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 ‘recuperación previa’ 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 afecta a 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 filtrar 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 memoria caché L1 en versiones de kernel que contienen dispositivos de «captación previa».

Del ataque de traducción de direcciones al presagio

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 utilizado 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 albergar 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.

Si bien los núcleos del sistema operativo se pueden proteger contra ataques de canal lateral de captura previa a través de una técnica llamada aislamiento de tabla de página del núcleo (KPTI o KAISER), que impone un aislamiento estricto del núcleo y del espacio de usuario de modo que el hardware no contenga ninguna información sobre las direcciones del núcleo mientras se ejecuta. en modo usuario: los investigadores descubrieron que no garantiza una protección total contra los ataques de traducción de direcciones, en los que 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 de kernel arbitrarias en el 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 las instrucciones de captación previa, el nuevo hallazgo demuestra lo contrario, lo que valida 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 (Búfer de destino de rama, misma dirección, en el lugar) para causar fugas de información, lo que provoca una ejecución especulativa y lleva a cabo ataques Meltdown y Foreshadow (falla de terminal L1) al pasar por alto la corriente. Mitigaciones L1TF.

Specter-BTB-SA-IP es una variante de la vulnerabilidad de Spectre que explota el búfer de destino de sucursal, un componente similar a un 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 captura previa se puede usar para realizar Foreshadow», dijeron los investigadores. «Si hay un secreto presente en la caché L3 y la dirección del mapa físico directo no tiene referencia en el kernel del hipervisor, los datos se pueden recuperar en 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 las mitigaciones de Spectre-v2 están deshabilitadas».

Habilite las mitigaciones de Spectre-BTB como Retpoline

Para resaltar el impacto de los ataques de canal lateral, los investigadores establecieron un canal encubierto basado en caché que filtraba 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 a retransmitir un total de 128 bytes desde el emisor al proceso receptor.

Además, los investigadores revelaron que es posible filtrar contenidos de registro de un enclave SGX de CPU Intel usando 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 15 minutos.

Por último, ‘ciertos 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 usando WebAssembly».

Para mitigar estos ataques, se recomienda que las CPU actuales habiliten las mitigaciones de Spectre-BTB, incluida la retpoline (abreviatura de «trampolín de retorno»), que tiene como objetivo evitar la inyección de destino de rama al aislar las ramas indirectas de la ejecución especulativa.