Μελέτη και αξιολόγηση μηχανισμών προστασίας από επιθέσεις παράπλευρων καναλιών υποθετικής εκτέλεσης

Abstract

Η υποθετική εκτέλεση εντολών (speculative execution) είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται εδώ και αρκετά χρόνια στη σχεδίαση των σύγχρονων επεξεργαστών με σκοπό την αύξηση της απόδοσής τους. Αυτή η τεχνική δεν φαινόταν να δημιουργεί κάποια θέματα ασφαλείας στους επεξεργαστές, έως ότου το 2018 εμφανίστηκαν οι επιθέσεις τύπου Spectre και Meltdown. Οι επιθέσεις αυτές είναι επικίνδυνες και δύσκολα αντιμετωπίσιμες, καθώς εκμεταλεύονται δυο θεμελιώδεις τεχνικές για την αύξηση της απόδοσης του επεξεργαστή: την υποθετική εκτέλεση και την εκτέλεση εκτός σειράς εντολών. Για αυτό το λόγο, οι μηχανισμοί άμυνας έναντι αυτών των επιθέσεων που είναι βασισμένοι στο λογισμικό κρίνονται ανεπαρκείς για δυο λόγους. Πρώτον, επιφέρουν μέγαλη επιβράδυνση στην απόδοση του επεξεργαστή. Δεύτερον, δεν παρέχουν καθολική προστασία από όλες τις παραλλαγές αυτών των επιθέσεων, καθώς οι επιθέσεις αυτές εκμεταλλεύονται κυρίως την υποθετική εκτέλεση εντολών, γεγονός που αφορά το πώς είναι δομημένος ο επεξεργαστής. ΄Ετσι, τα τελευταία χρόνια αναπτύχθηκαν μηχανισμοί άμυνας βασισμένοι στο υλικό, παρέχοντας γενικότερη προστασία και διατηρώντας υψηλή απόδοση. Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία κάνουμε μια λεπτομερή καταγραφή των διαφόρων επιθέσεων τύπου Spectre και Meltdown, πώς λειτουργούν και πώς καταφέρνουν να υποκλέψουν ευαίσθητες πληροφορίες, αλλά και των μηχανισμών άμυνας βασισμένων στο υλικό. Συγκεκριμένα, κατηγοριοπούμε τις τεχνικές άμυνας σε τρείς κύριες κατηγορίες: σε τεχνικές απόκρυψης, σε τεχνικές καθυστέρησης και σε τεχνικές αναίρεσης. Παράλληλα, αξιολογούμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μηχανισμών της καθε κατηγορίας. Τέλος, πραγματοποιούμε αναπαραγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων από ένα μηχανισμό άμυνας της κάθε κατηγορίας μέσω του προσομοιωτή gem5 και των μετροπρογραμμάτων της σουίτας SPEC CPU2006. Η πειραματική μας αξιολόγηση δείχνει ότι οι μηχανισμοί που ανήκουν στις κατηγορίες των τεχνικών απόκρυψης και αναίρεσης προσφέρουν την καλύτερες επιδόσεις, όμως καλύπτουν παράπλευρα κανάλια που σχετίζονται μόνο με την Data-Cache. Σε αντίθεση, οι μηχανισμοί που ανήκουν στις τεχνικές καθυστέρησης, αν και συνήθως εισάγουν περισσότερο overhead, παρέχουν καθολική προστασία για κάθε παράπλευρο κανάλι που μπορεί να εκμεταλλευτεί ένας κακόβουλος χρήστης.