Spectre (уразливість)

Дана уразливість є спрощеним варіантом Meltdown (або навпаки, Meltdown є розвиненим варіантом даної уразливості).

Уразливість CVE-2017-5753 основана на введенні модуля передбачення переходів у оману аби примусити його спекулятивно зчитати дані за межами масиву. В результаті, зловмисник здатен зчитати всі дані в межах одного процесу (на відміну від Meltdown без виходу у зони з вищим рівнем захисту). Дослідники назвали цей варіант уразливості англ. Exploiting Conditional Branch Misprediction — атака із використанням невірного передбачення умовного переходу.

Для успішної реалізації даної уразливості зловмисник має примусити жертву виконати спеціальну послідовність інструкцій в просторі атакованого процесу. Це можуть бути або вже наявні в коді атакованого процесу інструкції, або ж атакований процес може виконувати інструкції зловмисника у JiT-компіляторі[17].

Дослідникам вдалось показати приклади успішної атаки із використанням даної уразливості проти ядра Linux через систему eBPF,[17] а також на сучасні веб-браузери які виконують сценарії JavaScript у рушіях з JiT-компіляцією. Крім того, була представлена проста програма-демонстратор написана мовою C, яка зчитує «приховані» дані в межах власного процесу[16].

Атака із використанням цієї уразливості була показана на основі функції, сторонній канал в якій був створений кодом:

if (x < array1_size)
  y = array2[array1[x] * 256];

Умовний перехід гарантує, що звернення до array1 буде завжди коректним й не виходитиме за межі масиву. Тим не менш, при спекулятивному виконанні команд мікропроцесор може виконати ці інструкції в конвеєрі, залишивши сторонній канал у вигляді кешованих фрагментів масиву array2. В цьому прикладі значення змінної x визначає адресу в пам'яті, яку прагне зчитати зловмисник (зі зсувом від адреси масиву array1). Значення комірки пам'яті за адресою array1 + x буде відновлено на основі інформації про кешований фрагмент масиву array2[16].

Дослідниками також був представлена інша уразливість, так звана англ. Branch Target Injection (BTI) або англ. Poisoning Indirect Branches — маніпуляція непрямими переходами. Уразливість знаходиться в модулі передбачення переходів і може бути використана для атаки між процесами різного рівня[16].

На відміну від прямого, при непрямому переході адреса переходу наперед не відома, а має бути отримана із регістра, комірки пам'яті, чи обчислена в якийсь інший спосіб. Якщо отримання адреси для переходу потребуватиме істотного часу, то модуль передбачення переходів може вирішити спекулятивно виконати перехід за невірною адресою. Зловмисник здатен підлаштувати модуль передбачення переходів так, що адресу переходу для спекулятивного виконання визначатиме він. Таким чином, буде спекулятивно виконано інструкції, які ніколи б не були виконані за нормальних умов. Така ситуація створює істотну уразливість якщо спекулятивне виконання цих інструкцій залишає помітні побічні ефекти[16].

Група дослідників з Прінстонського університету і компанії NVIDIA в лютому 2018 відкрили нові способи атак з використанням цих вразливостей. Вони отримали назви MeltdownPrime і SpectrePrime відповідно, від уже відомих методів відрізняються іншим способом відтворення інформації з процесорного кешу[18][19].

Обидві атаки побудовані на роботі з двома ядрами багатоядерного процесора і використовують особливості роботи протоколу узгодження вмісту кешу для різних ядер CPU (Invalidation-Based Coherence Protocol). Якщо в уже відомих атаках сторонніми каналами служило відновлення вмісту кешу на основі техніки FLUSH + RELOAD, то в нових застосований метод «Prime and Probe»[18].

Однак поточні програмні латки, що випускаються виробниками, забезпечують захист і від нових атак[18].

Оскільки Spectre являє собою ціле сімейство вразливостей, єдиного способу захисту, імовірно, знайдено не буде. Проте, було розроблено механізми захисту (латки операційних систем, веб-браузерів, оновлення мікрокоду мікропроцесорів, тощо) від відомих конкретних атак в яких використано цю вразливість.

На відміну від Meltdown, уразливості сімейства Spectre потребують не лише латок програмного забезпечення, але й мікропроцесорів[13].

Розробники операційних систем, прикладного програмного забезпечення випустили оновлення своїх продуктів, що мають захистити або зменшити ризик успішної атаки з використанням цих уразливостей. Деякі виробники мікропроцесорів також випустили оновлені версії мікрокоду, покликані або захистити від відомих варіантів реалізації, або ж зменшити ризик успішної атаки[13].

Для успішного використання уразливості зловмисник має виконати свій код на комп'ютері жертви. Таким чином найбільшу небезпеку уразливості Spectre становлять для постачальників хмарних обчислень, коли на одному фізичному комп'ютері можуть водночас працювати декілька віртуальних машин різних клієнтів. Звичайним користувачам найбільшу небезпеку може представляти варіант CVE-2017-5753 (доступ за межі масиву), який може бути реалізований скриптами JavaScript у веб-браузері[13].

Якщо зловмисник буде здатен примусити жертву завантажити свій скрипт JavaScript (чи то так званий малвертайзинг, чи то відвіданням сайту, тощо), то він отримає можливість зчитати збережені паролі або іншу приватну інформацію, що зберігається в браузері[13].

Проте, як виявилось, від варіанту CVE-2017-5753 найпростіше захиститись із майже непомітними наслідками для швидкодії. Відповідні оновлення для своїх веб браузерів уже підготували розробники Mozilla Firefox та WebKit (рушій, яким користується Chromium, сучасні версії Opera, тощо)[13].

На початку лютого 2018 року компанія AV-Test повідомила, що нею зафіксовано 140 різних вірусів та зразків шкідливого програмного забезпечення, в якому було використано вразливості Spectre та Meltdown. Проте, досі не було зрозуміло, як широко поширені дані зразки в реальному світі[20].

Розробники сімейства компіляторів GCC додали механізм Retpoline в релізи версії 8 та новіше. Через велике значення цих латок їх було також застосовано і до релізу версії 7.3[21]

Розробники компанії Microsoft запропонували нову версію компілятора MSVC з новою опцією /Qspectre, яка додає в компільовані програми захист від уразливості Spectre варіант «Читання за межами масиву» (англ. Bounds Check Bypass, CVE-2017-5753). Якщо дана опція увімкнута, компілятор під час компіляції шукає потенційно вразливі фрагменти коду та додає інструкцію, що виконує функцію бар'єра для спекулятивного виконання команд. Для x86-сумісних мікропроцесорів (Intel та AMD) це інструкція lfence, для ARM — csdb. Таким чином, при компіляції такого коду:

if (untrusted_index < array1_length) {
    // спекулятивний доступ до елементів масиву
    unsigned char value = array1[untrusted_index];
    // використати ці спекулятивно отримані дані аби
    // змінити стан кешу процесора
    unsigned char value2 = array2[value * 64];
}

компілятор додає бар'єр спекулятивного виконання на початку тіла циклу, фактично, генеруючи код:

if (untrusted_index < array1_length) {
    // переконатись, що процесор спочатку перевірить
    // умову, і лише тоді звертатиметься за даними
    speculation_barrier();
    // ці інструкції вже не будуть виконуватись
    // спекулятивно
    unsigned char value = array1[untrusted_index];
    unsigned char value2 = array2[value * 64];
}

Недоліком такого підходу є істотне падіння швидкодії програм. Слід звернути увагу на те, що насправді захисту потребують лише ті частини коду, в яких зловмисник може задати індекс елемента в масиві. Компілятор, попри реалізовані евристичні правила, відокремити такі фрагменти не здатен, тому він може додавати захист навіть там, де він зайвий[22][23].

У червні 2018 року проект OpenBSD повідомив про рішення учасників проекту вимикати функції Hyper-threading при роботі цієї операційної системи на мікропроцесорах виробництва Intel[24].

Проте, група дослідників компанії Google дійшла висновку, що лише програмними заходами повністю захиститись від витоків інформації через сторонні канали при спекулятивному виконанні програм неможливо, а відмова від спекулятивного виконання недоцільна з точки зору ефективності роботи мікропроцесорів[5][25].

Невдовзі після оприлюднення інформації про уразливості розробники операційних систем і виробники мікропроцесорів почали випускати оновлення з латками. Проте у деяких випадках оновлення спричиняли іще більше проблем. Так, наприклад, оновлення мікрокоду випущені Intel спричиняли випадкові перезавантаження системи. Тому 23 січня компанія порадила відтермінувати оновлення мікрокоду для систем на мікропроцесорах сімейства Broadwell, Haswell, Coffee Lake, Kaby Lake, Skylake і Ivy Bridge. Сервери на багатьох моделях Xeon і Ivy Bridge також мали цю проблему[26].

Компанії Intel та AMD мають намір додати три нові інструкції: Branch Restricted Speculation (IBRS), Single Thread Indirect Branch Predictors (STIBP) та Indirect Branch Predictor Barrier (IBPB) до набору інструкцій своїх мікропроцесорів. Нові інструкції будуть додані шляхом завантаження оновлень мікрокоду для процесорів Intel виробництва 2013 року і новіше, а також в нових процесорах AMD. Інформація про ці інструкції оприлюднена в документі з ідентифікатором 336996-001[27][9].

Латки для нових мікропроцесорів ARM64 Qualcomm Centriq 2400 (Falkor) та Cavium ThunderX2 будуть додані в нових релізах ядра Лінукс[9].

Компанія AMD, натомість, стверджує, що реалізація атаки сімейства Spectre CVE-2017-5715 (Branch Target Injection/BTI) надзвичайно ускладнена на мікропроцесорах її виробництва. Тому компанія має великий сумнів у потребі щось виправляти. Проте, заради збереження сумісності будуть випущені латки, в яких буде додано підтримку інструкцій Indirect Branch Control[28]. Також компанія оприлюднила докладну доповідь про уразливості Spectre у її процесорах[29].

3 травня 2018 року журнал c't оприлюднив інформацію про виявлення сімейства з восьми уразливостей в процесорах Intel, що отримали загальну назву Spectre NG (англ. New Generation — нове покоління)[30].

За повідомленням журналу, уразливостям було виділено блок номерів у базі даних CVE, і 7 травня 2018 року мало бути оголошено їх назви[30]. Компанія Intel у прес-релізі не заперечувала наведені факти, і рекомендувала користувачам вчасно встановлювати оновлення програмного забезпечення[31].

За даними видання c't одна з уразливостей істотно спрощує атаку на основну систему з боку гостьової. Вона навіть дозволяє одній гостьовій системі атакувати іншу гостьову систему, що працює на тій же фізичній машині[30].

1 березня 2019 року була оприлюднена наукова доповідь про уразливість, яку назвали SPOILER[32]. І хоча формально вона не є варіантом уразливостей сімейства Spectre, вона використовує вади в реалізації модуля таблиць пам'яті у всіх сучасних мікропроцесорах фірми Intel, починаючи з Intel Core. Цю уразливість не було виявлено в мікропроцесорах фірми AMD або сімейства ARM.

Уразливість дозволяє істотно пришвидшити атаку Rowhammer[33].

В січні 2020 року стало відомо про відкриття чергового варіанту атаки на сучасні мікропроцесори виробництва Intel (окрім виготовлених після четвертого кварталу 2019 року). Варіант отримав неформальну назву «CacheOut» та формальний ідентифікатор CVE-2020-0549/INTEL-SA-00329. Цей варіант використовує комбінацію вибіркового дослідження мікроархітектурного стану (англ. Microarchitectural Data Samping, MDS) мікропроцесора та примусового скасування транзакції в оперативній пам'яті (англ. Transactional Asynchronous Abort, TAA; див. транзакційна пам'ять).

У випадку успішного застосування зловмисник може отримати доступ до даних інших процесів, віртуальних машин, подолати захист ASLR, а також зламати захист системи Intel SGX[34][35].