Просмотр кода страницы TLBleed

'''TLBleed''' — аппаратная уязвимость некоторых современных процессоров, имеющих буфер трансляции команд и поддерживающих режим одновременной многопоточности. Уязвимость позволяет пользовательскому приложению (локальному атакующему, при запуске специальной программы), исполняющемся на одном из аппаратных потоков, несанкционированно извлекать информацию об исполнении другого потока при помощи [[Скрытый канал|скрытого канала]]. Утечка информации потенциально может использоваться для получения надежного доступа к конфиденциальным данным, обрабатываемым другим потоком.

== Краткое описание ==
TLBleed является атакой по стороннему каналу и поэтому имеет общие черты с другими уязвимостями микропроцессоров, такими как [[Meltdown (уязвимость)|Meltdown]] и [[Spectre (уязвимость)|Spectre]]. Традиционный подход при эксплуатации подобных уязвимостей основывается на [[Атака по сторонним каналам#Атаки по времени|измерении времени доступа]] к отдельным ячейкам кэша процессора для определения, какие конкретные ячейки были загружены в кеш атакуемым процессом. Таким образом удается извлечь косвенную информацию об исполнении и защищенных данных процесса-жертвы. В случае атаки TLBleed побочным каналом является не обычный кэш с данными, а [[буфер ассоциативной трансляции]] (TLB) — специальный кеш, хранящий соответствия между страницами [[Виртуальная память|виртуальной памяти]] и страницами физической памяти процессора, использующийся для ускорения трансляции виртуальных адресов. Ключевая возможность атаки обеспечивается тем, что в реализации режима [[Одновременная многопоточность|одновременной многопоточности]] (SMT) в процессорах [[Intel]] буфер ассоциативной трансляции является общим и используется всеми аппаратными потоками одновременно (подобный сторонний канал может существовать и в реализациях микропроцессоров других компаний, однако подобный анализ до сих пор не был произведен).

Суть атаки заключается в следующем. По времени доступа к отдельным ячейкам TLB определяется, к каким страницам памяти обращается атакуемый процесс. При этом даже минимальной [[Страничная память|гранулярности адресации]] (4096 байт на современных системах) недостаточно для прямого получения данных атакуемого процесса (например, уязвимость Meltdown использует косвенную адресацию для подгрузки и последующей идентификации конкретной ячейки кеша, адрес которой определяет часть [[Секрет (криптография)|секрета]]). Однако с помощью анализа характера доступа в память (порядка обращения к страницам памяти, промежутков между обращениями) с использованием методов [[Машинное обучение|машинного обучения]] удается идентифицировать участок исполняемого кода. В случае, если, например, в алгоритме шифрования при обработке логической «1» вызывается один участок кода, а при обработке логического «0» — другой, оказывается возможным полностью восстановить шифруемые данные.

== История ==
Изначальное исследование было обнародовано группой ученых свободного Амстердамского университета 22 июня 2018 г. Детали уязвимости были позже раскрыты руководителем проекта Беном Грасом на конференции по компьютерной безопасности [[Black Hat Briefings|Black Hat]].<ref>{{Cite web|url=https://www.blackhat.com/us-18/briefings/schedule/#tlbleed-when-protecting-your-cpu-caches-is-not-enough-10149|title=Black Hat USA 2018|publisher=www.blackhat.com|accessdate=2018-12-19|archive-date=2019-01-07|archive-url=https://web.archive.org/web/20190107183216/https://www.blackhat.com/us-18/briefings/schedule/#tlbleed-when-protecting-your-cpu-caches-is-not-enough-10149|deadlink=no}}</ref><ref>{{Cite web|url=https://www.eweek.com/security/tlbleed-side-channel-cpu-attack-detailed-at-black-hat|title=TLBleed Side-Channel CPU Attack Detailed at Black Hat|publisher=eWEEK|accessdate=2018-12-19}}</ref> Несмотря на то, что уязвимость была продемонстрирована на многих процессорах Intel нескольких современных архитектур, компания отказалась подать заявку на присвоение [[Common Vulnerabilities and Exposures|CVE-идентификатора]] уязвимости, ссылаясь на её незначимость. По мнению исследователей, такая позиция не отражает реального положения дел, поскольку TLBleed является существенно новым типом атаки, представляет существенную угрозу и может служить отправной точкой для поиска других сходных уязвимостей.<ref name="intel">{{Cite news|title=Meet TLBleed: A crypto-key-leaking CPU attack that Intel reckons we shouldn't worry about|author=|first=Chris|last=Williams|url=https://www.theregister.co.uk/2018/06/22/intel_tlbleed_key_data_leak/|work=|date=2018-06-22|language=en|website=The Register|accessdate=2018-12-19|archivedate=2018-12-08|archiveurl=https://web.archive.org/web/20181208132021/https://www.theregister.co.uk/2018/06/22/intel_tlbleed_key_data_leak/}}</ref>

== Механизм ==
Для реализации описанной атаки требуется решить ряд технических проблем:

* Выяснить предварительно конфигурацию TLB (ассоциативность, размер) на используемом процессоре. Для этого можно использовать открытые источники информации<ref>{{Cite web|url=https://en.wikichip.org/wiki/WikiChip|title=WikiChip - WikiChip|publisher=en.wikichip.org|lang=en|accessdate=2018-12-19|archive-date=2020-10-26|archive-url=https://web.archive.org/web/20201026014337/https://en.wikichip.org/wiki/WikiChip|deadlink=no}}</ref> или использовать [[Обратная разработка|реверс-инжиниринг]], используя низкоуровневые инструкции<ref>{{Статья|автор=|заглавие=RevAnC: A Framework for Reverse Engineering
Hardware Page Table Caches|ссылка=https://www.cs.vu.nl/~giuffrida/papers/revanc_eurosec17.pdf|язык=en|издание=the 10th European Workshop|тип=|год=|месяц=|число=|том=|номер=|страницы=|issn=|archivedate=2018-12-20|archiveurl=https://web.archive.org/web/20181220230401/https://www.cs.vu.nl/~giuffrida/papers/revanc_eurosec17.pdf}}</ref>. Помимо данных о параметрах TLB требуется так же выяснить соответствие между виртуальными адресами и ячейками TLB, чтобы иметь впоследствии возможность отслеживания состояния произвольных ячеек, обращаясь к требуемым виртуальным адресам. В простейшем случае ячейка буфера ассоциативной трансляции определяется младшими битами адреса страницы, однако могут использоваться и более сложные функции отображения, такие как побитовое [[Битовые операции|исключающее ИЛИ]] номера потока и определенных бит адреса страницы.

* Найти способ отслеживания обращений атакуемого процесса к ячейкам TLB. Авторы исследования используют классическую [[Атака по времени|атаку по времени доступа]] для определения, использовалась ли процессом-жертвой некоторая ячейка TLB. Дополнительную сложность вносит тот факт, что, как правило, буфер ассоциативной трансляции в современных процессорах представляет собой двухуровневую структуру (по аналогии с иерархической организацией [[Кэш процессора|кеша]], L1 TLB и L2 TLB). Тем не менее по времени доступа можно определить, находится ли адрес требуемой страницы в TLB одного из уровней (в противном случае выполняется процедура многоуровневой трансляции виртуального адреса, занимающая сотни циклов работы процессора).
* Запустить вредоносный код на одном и том же аппаратном ядре с потоком процесса-жертвы. Утверждается, что выполнение этого условия для реальной реализации уязвимости очень сложно и требует нетривиальных усилий. Однако современные операционные системы предоставляют механизмы привязки процессов к конкретным аппаратным ядрам процессора, что существенно упрощает задачу.<ref>{{Cite web|url=http://man7.org/linux/man-pages/man2/sched_setaffinity.2.html|title=sched_setaffinity(2) - Linux manual page|publisher=man7.org|accessdate=2018-12-19|archive-date=2018-12-20|archive-url=https://web.archive.org/web/20181220230901/http://man7.org/linux/man-pages/man2/sched_setaffinity.2.html|deadlink=no}}</ref>
* Использование статистики обращений процесса-жертвы к различным ячейкам TLB для восстановления информации об исполнении атакуемого процесса. Атакующему предоставляется полная свобода выбора в том, как и какую информацию извлекать из собранной статистики. В частности, можно пытаться определять, какой участок кода исполняет атакуемый процесс в тот или иной момент времени. При этом задача ставится как восстановление зависимости <math>\overrightarrow{X}(t)\rightarrow y</math>, где <math>\overrightarrow{X}(t)</math> — вектор обращений в ячейки TLB в зависимости от времени, а <math>y</math> — искомый участок кода. Во многих случаях этой информации оказывается достаточно для точного воспроизведения обрабатываемых данных. В частности, в алгоритмах шифрования исполняются те или иные операции в зависимости от поступающих битов, что и позволяет эксплуатировать уязвимость.

== Влияние ==
По состоянию на август 2018 г. уязвимость была продемонстрирована только на процессорах Intel. Предполагается, что процессоры других компаний, в которых буфер трансляции страниц является общим для аппаратных потоков, могут также оказаться уязвимыми для данного типа атак, однако реализаций концепции представлено не было.<ref>{{Cite news|title=Researchers warn of TLBleed Hyper-Threading vuln|first=Gareth|last=Halfacree|url=http://www.bit-tech.net/news/tech/cpus/researchers-warn-of-tlbleed-hyper-threading-vuln/1/|date=2018-06-25|language=en|website=bit-tech.net|archivedate=2019-02-13|archiveurl=https://web.archive.org/web/20190213202418/https://bit-tech.net/news/tech/cpus/researchers-warn-of-tlbleed-hyper-threading-vuln/1/|access-date=2018-12-19}}</ref> Компания AMD утверждает, что ее процессоры не подвержены уязвимости.<ref name="intel" />

После опубликования информации об уязвимости проект [[OpenBSD]] полностью отключил поддержку одновременной многопоточности в системе.<ref name="varghese25june">{{cite web|url=https://www.itwire.com/security/83347-openbsd-chief-de-raadt-says-no-easy-fix-for-new-intel-cpu-bug.html|title=OpenBSD chief de Raadt says no easy fix for new Intel CPU bug|author=|website=www.itwire.com|date=2018-06-25|publisher=|lang=en|access-date=2018-06-25|archive-date=2018-06-25|archive-url=https://web.archive.org/web/20180625014629/https://www.itwire.com/security/83347-openbsd-chief-de-raadt-says-no-easy-fix-for-new-intel-cpu-bug.html|deadlink=no}}</ref><ref>{{cite web|url=https://www.itwire.com/security/83301-openbsd-disables-hyperthreading-support-for-intel-cpus-due-to-likely-data-leaks.html|title=OpenBSD disables hyperthreading support for Intel CPUs due to likely data leaks|author=|website=www.itwire.com|date=2018-06-21|publisher=|lang=en|access-date=2018-12-19|archive-date=2018-07-09|archive-url=https://web.archive.org/web/20180709233044/https://www.itwire.com/security/83301-openbsd-disables-hyperthreading-support-for-intel-cpus-due-to-likely-data-leaks.html|deadlink=no}}</ref> Руководитель OpenBSD [[Тео де Раадт]] считает, что, несмотря на то, что уязвимость теоретически возможно устранить, запретив процессам разных контекстов исполнение на общих процессорных ядрах, на практике такое решение нереализуемо из-за сложности.<ref name="varghese25june" />

== Механизмы защиты ==
* Основной и очевидный метод устранения уязвимости — отключение режима [[Одновременная многопоточность|одновременной многопоточности]] (''[[Hyper-threading|Hyper Threading]]''). Очевидно, отключение SMT ведет к сильному падению производительности и неэффективному использованию аппаратуры микропроцессора. Применен в системе [[OpenBSD]].<ref name="varghese25june" />
* Программное разделение доступа аппаратных потоков в линии кеша TLB. Для использования метода требуется запретить каждому из аппаратных потоков доступ в определенные области виртуальной памяти, так, чтобы в результате линии TLB, используемые потоками, не пересекались. Метод сложен для реализации, так как нарушает концепцию целостной [[Виртуальная память|виртуальной памяти]]. Однако потенциально такой подход может быть применен на уровне операционной системы и не требует изменения аппаратуры.
* Аппаратное разделение доступа потоков в TLB. Фактически требует разделения общего TLB на несколько независимых буферов адресуемых каждым из потоков отдельно. Следует ожидать деградации производительности вследствие снижения суммарного размера TLB в расчете на один аппаратный поток.

== См. также ==
* [[Meltdown (уязвимость)|Meltdown]] — сходная атака, основанная на спекулятивном исполнении, нарушающая изоляцию между процессами и ядром операционной системы в пределах одного контекста исполнения
* [[Spectre (уязвимость)|Spectre]] — сходная атака, основанная на спекулятивном исполнении, нарушающая изоляцию между любыми процессами в системе

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* [https://www.vusec.net/projects/tlbleed/ Официальная страница атаки]

{{Хакерские атаки 2010-х}}

[[Категория:Уязвимости защиты]]
[[Категория:Информационная безопасность]]
[[Категория:Ошибки аппаратного обеспечения]]
[[Категория:X86]]