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Meltdown

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Meltdown (CVE-2017-5754)✔

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  • Meltdown : Intel CPU, IBM Power CPU, 일부 ARM 구조 자체에서 발생한 불량 데이터 캐시 적재 취약점이다.

공식 설명에 따르면 추측 실행과 간접적 분기 예측이 권한이 없는 데이터를 유출시킬 수 있다는 취약점이다. 쉽게 말하면 멜트다운은 불량데이터 캐시 적재 취약점을 통하여 유저 어플리케이션이 권한이 없는 메모리 영역을 읽을 수 있게 되는 취약점이다. 멜트다운으로 인하여 임의의 프로세스가 다음의 메모리 영역을 읽을 수 있게 된다.

  • 커널 메모리 영역

  • 다른 어플리케이션의 메모리 영역

  • 컴퓨터의 모든 물리적 메모리 값

이로 인하여 ASLR 및 메모리 보호 기법 무효화되고, 이를 기반으로 세워진 모든 보안기법이 무의미해진다. 또한 메모리 상에 존재하는 중요한 정보 탈취할 수 있다.

기술적으로 멜트다운은 한 번 트리거됬을 때 원하는 영역의 1 바이트 값을 읽어 올 수 있다. 하지만 멜트다운을 계속 실행해서 컴퓨터의 물리적 메모리 전체를 다 읽어 올 수 있다.

Intel 전 CPU 아키텍트 프랑수아 피에노엘은 이번 버그는 컴퓨터 공학의 새로운 발견이며, 발견 되기 전에 몰랐다고 해서 과학자들을 비난할 수 없다 고 말했다.

Fundamental of Computer Security✔

컴퓨터 보안의 근본은 메모리 격리이다. 즉, 권한이 없는 메모리 영역에 대한 프로세스의 메모리 읽기, 쓰기, 실행을 방지하는 것이다. 이렇게 메모리를 보호하기 위하여 다음과 같은 보안 기법이 개발되어 왔다.

  • ASLR

  • NX bit

  • Stack Canary

  • KASLR

하지만 멜트다운 논문 에 따르면 유저 프로세스가 커널 메모리 전체를 다 읽을 수 있게 하는 취약점이다.

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위의 캡쳐는 멜트다운의 논문의 내용을 발췌한 것이다. 빨간줄로 표시한 부분에 user process to read the entire kernel memory of machine 라고 되어있다.

비순차적 실행 (Out of order execution)✔

비순차적 실행 (Out of order) : 명령어를 순차적으로 실행하는 것이 아니라 빠른 성능을 위하여 명령어를 비순차적으로 실행하는 것이다.

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위 그림에서와 같이 5개의 명령어가 실행될 때 add → mul → mul → add → fmul 와 같이 순차적으로 실행하는 것보다 먼저 결과를 낼 수 있는 부분은 굳이 순서를 지키지 않고 먼저 실행한다면, CPU 성능을 더욱 올릴 수 있다. 그렇기 때문에 빨간색 박스와 같이 비순차적으로 명령어를 실행하는데, 이를 비순차적 실행이라고 한다.

Toy Example✔

멜트다운을 이해하기 위하여 간단한 예시를 들어보자. 

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raise_exception();
// invalid user
access(probe_array[data * 4096]);

위 코드의 첫번째 줄의 raise_exception 에서 발생하는 예외 때문에 프로그램의 흐름이 더 이상 진행되지 않고 커널의 예외처리 핸들러로 넘어간다. 세번째 줄의 코드에서는 배열을 참조하고 있는데 이론적으로는 이 코드가 절대로 실행될 수 없다. 그러나 비순차적 실행 때문에 세번째 줄의 코드는 이미 실행이 되었다.

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즉, raise_exception 예외가 권한이 없는 메모리 영역을 읽어서 발생하는 예외라고 해도 비순차적 실행이 그 다음 명령어를 실행하게 되는 것이다. 심지어 결과값을 계산하고 레지스터, RAM, 캐시에 저장까지 합니다. 다만 예외가 처리되는 시점에서 레지스터와 RAM 에 있는 결과값은 버려진다.

문제는 이미 계산된 결과값이 캐시에는 계속 남아있는 것이다.

이 예시의 data 값에 4096 이 곱해져서 probe_array 에 접근되기 때문에 데이터의 값이 4KB 의 거리로 메모리 참조가 이루어진다. 이로써 데이터의 값이 메모리 페이지로 맵핑된다. 즉, 다른 값이라면 반드시 다른 페이지로 맵핑되는 것이다.

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위 그림은 원하는 주소값의 데이터를 참조하고, 비순차실행으로 코드를 실행한 결과이다. 캐시를 순차적으로 참조해보면서 Cache Hit 가 일어난 84번째 메모리 페이지에서 참조 속도가 가장 빠르기 때문에 data = 84 임을 알 수 있다.

FLUSH+RELOAD : Understanding Cache✔

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비순차적 실행의 문제는 해커가 권한이 없는 메모리에 접근하면 예외가 발생하지만 이미 계산된 값이 캐시에는 남아있다는 것이다. 그러면 이때 해커가 FLUSH+RELOAD 기법을 사용하여 캐시에 있는 특정 값을 알아낼 수 있다.

CPU 가 메모리를 참조할 때 그 값이 먼저 캐시에 있는지 확인한다. 캐시에 없다면 이를 Cache Miss 라고 하며 메모리에서 값을 참조하고, 그 값을 캐시에 저장한다. 캐시에 있다면 이 상황을 Cache Hit 라고 하며, 곧 바로 캐시에서 참조하게 된다. 자명하게 Cache Hit 가 Cache Miss 보다 메모리 참조 시간이 훨씬 빠를 것을 알 수 있다.

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그런데 메모리가 새로운 값으로 수정되었을 경우 캐시와 RAM 의 값이 불일치하는 상황이 발생한다. 이런 상황을 해결하기 위하여 운영체제는 캐시를 텅 비우는 clflush 명령어를 제공한다. 따라서 유저 어플리케이션과 해커의 프로그램도 합법적으로 캐시를 텅 비게 만들 수 있다.

  • FLUSH+RELOAD : 캐시에 있는 값을 유추하는 해킹 기법이다.

FLUSH+RELOAD 로써 캐시에 있는 값을 유추하는 과정은 매우 간단하게 설명하면 다음과 같다.

  1. 먼저 clflush 를 통하여 L3 캐시를 전부 다 FLUSH 한다. 이 시점에서 어떤 메모리를 참조하면 그 메모리만 캐시에 로드 됐다는 것이 보장된다.

  2. 해커가 원하는 주소값을 참조해본다. 권한이 없는 주소값인 경우 프로그램이 종료되지만, 이 데이터 값 1 바이트가 캐시에는 남아있다.

  3. 1 바이트 값의 범위는 0 부터 255 이므로 캐시의 0 번째 주소부터 255 번째 주소까지 참조해본다.

  4. 그 중에서 가장 빠른 속도로 읽히는 데이터가 Cache Hit 가 발생한 데이터이므로 해커가 원하는 데이터이다.

exploit✔

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loop:
movzx (%ecx), %eax ; 예외발생
shl $12, %eax 
jz loop
mov (%ebx,%eax,1), %ebx
먼저 위 코드에서 %ecx 는 해커가 원하는 메모리 영역이고, %ebx 는 probe_array 를 뜻한다. 실제로 Meltdown 으로 exploit 을 하는 과정은 다음과 같다.

  1. 코드 2: 에서와 같이 ecx 주소값의 값을 읽어서 eax 에 복사한다. 이는 원하는 영역의 1 byte 를 읽는 것이다. 그러나 권한이 없어서 예외가 발생한다.

  2. 코드 3: 에서와 같이 eax 에 4096 을 곱하고, 코드 5: 처럼 곱한 값을 ebx 에 저장한다. 이때 해커는 이미 캐시를 FLUSH 했기 때문에 오로지 이 데이터만 캐시에 로드되어있다.

  3. FLUSH+RELOAD 로 캐시에 남아 있는 데이터를 알아낸다.

다음은 멜트다운으로 해킹을 시연한 사례이다.

멜트다운의 공식 POC 코드는 https://github.com/IAIK/meltdown 에 있다.

웹 페이지로 트리거되는 멜트다운✔

이 멜트다운은 CPU 구조에서 발견된 취약점이므로 OS 와 어플리케이션에 독립적이다. 또한 코드를 작성하기가 매우 쉬워서 Javascript 로 웹 페이지를 통하여 exploit 될 수도 있다. 이 때문에 크롬, 엣지, 파이어폭스 등의 메이저 브라우저에서 시간 오차율을 임시적으로 높이기도 했다. 멜트다운이 시간 계산을 통해서 트리거되는 취약점이기 때문이다.