犧牲安全換速度的惡果：英特爾芯片再添3個數(shù)據(jù)泄露安全漏洞
App、內(nèi)核、虛擬機、SGX、SMM，全都危險了。
8月14日，英特爾再次披露3個芯片級漏洞，惡意軟件和惡意虛擬機可利用這些漏洞從計算機內(nèi)存中盜取秘密信息。
口令、個人信息、金融記錄和加密密鑰均在受影響范圍之列，可被攻擊者從其他應用和其他客戶的虛擬機，以及英特爾安全擴展(SGX)飛地及系統(tǒng)管理模式(SMM)內(nèi)存中抽取出來。SGX是本應防護這些秘密不受惡意代碼干擾的英特爾安全技術(shù)。SMM則是用戶計算機的隱藏管理員，對計算機硬件有著完全控制權(quán)，且可訪問計算機上存儲的所有數(shù)據(jù)。
總體而言，英特爾的桌面、工作站和服務(wù)器CPU都談不上安全。最重要的是，這些芯片并未按文檔所述的方式工作：芯片技術(shù)手冊稱，內(nèi)存可被標記為訪問受限的。但實際情況卻并不是這樣。也就是說，脆弱主機上的惡意軟件和云平臺上的客戶虛擬機，都可以從其他軟件和其他客戶的虛擬機中提取出敏感數(shù)據(jù)。
很明顯，Chipzilla的管理層犧牲了安全來換取速度上的提升：他們的處理器在軟件執(zhí)行上堪稱飛一般的速度，內(nèi)存保護機制不過是事后聊以自慰的擺設(shè)。在對性能的無盡追求中，保護用戶數(shù)據(jù)安全的防護措施被當成了可選項而不是必選項。
去除了預測執(zhí)行設(shè)計缺陷的重制版英特爾處理器將于今年晚些時候開始發(fā)售。以操作系統(tǒng)和虛擬機管理程序補丁形式放出的緩解措施應該很快就會推出。如果你擔心惡意軟件或惡意虛擬機會吞噬掉寶貴的數(shù)據(jù)，那就應該打上這些補丁。請睜大眼睛緊盯補丁推出情況。某些軟件緩解措施需要先安裝上英特爾今年二季度的微代碼更新。
因為涉及到從CPU一級數(shù)據(jù)緩存中抽取秘密信息，英特爾將這3個漏洞定名為“一級終端故障(L1TF)”漏洞：
1. CVE-2018-3615
CVE-2018-3615影響SGX。將于本周舉行的Usenix安全研討會上由多家學術(shù)機構(gòu)予以披露。英特爾稱：“裝有帶預測執(zhí)行和SGX功能微處理器的系統(tǒng)，可能會被利用邊信道分析獲取了本地用戶訪問權(quán)的攻擊者，從SGX保護的飛地未授權(quán)抽取出一級數(shù)據(jù)緩存中的信息。”發(fā)現(xiàn)該漏洞的團隊將之命名為“預兆(Foreshadow)”。需要安裝英特爾微代碼更新才可以修復此漏洞。
2. CVE-2018-3620
CVE-2018-3620影響操作系統(tǒng)和SMM。英特爾稱：“裝有帶預測執(zhí)行和地址翻譯功能微處理器的系統(tǒng)，可能會被利用終端頁面錯誤和邊信道分析獲取了本地用戶訪問權(quán)的攻擊者，未授權(quán)抽取出一級數(shù)據(jù)緩存中的信息。”想要修復該漏洞，操作系統(tǒng)內(nèi)核便需打上補丁，SMM則要進行微代碼更新。
3. CVE-2018-3646
CVE-2018-3646影響虛擬機管理程序和虛擬機。英特爾稱：“裝有帶預測執(zhí)行和地址翻譯功能微處理器的系統(tǒng)，可能會被利用終端頁面錯誤和邊信道分析獲取了客戶操作系統(tǒng)本地用戶訪問權(quán)的攻擊者，未授權(quán)抽取出一級數(shù)據(jù)緩存中的信息。”想要保護數(shù)據(jù)，微代碼、操作系統(tǒng)和虛擬機管理程序都要更新。
操作系統(tǒng)和虛擬機管理程序級漏洞(CVE-2018-3620和CVE-2018-3646)，是大學研究人員告知了SGX漏洞(CVE-2018-3615)后，由英特爾的工程師發(fā)現(xiàn)的。關(guān)于這些漏洞的影響，Chipzilla稱：
| 惡意應用可能會推斷出操作系統(tǒng)內(nèi)存或其他應用中數(shù)據(jù)的值。惡意客戶虛擬機可能會推斷出虛擬機管理器(VMM)內(nèi)存或其他客戶虛擬機內(nèi)存中數(shù)據(jù)的值。SMM外的惡意軟件可能會推測出SMM內(nèi)存中數(shù)據(jù)的值。英特爾SGX飛地內(nèi)部或外部的惡意軟件都可能推測出另一塊SGX飛地中的數(shù)據(jù)。 |
值得指出的是，運行有多臺客戶提供的虛擬機的云平臺上，這些客戶操作系統(tǒng)必須打上補丁，否則，它們可能利用共享的底層主機硬件來盜取鄰近虛擬機的信息。
這意味著，客戶只應被允許使用平臺提供的內(nèi)置了緩解措施的內(nèi)核，或者虛擬機管理軟件必須被配置為不會安排陌生人的虛擬機運行在相同的物理CPU內(nèi)核上，或者禁用超線程技術(shù)。正如 Red Hat 指出的，應用這些緩解措施可能會對性能造成打擊。
英特爾表示：
| 部分市場，尤其是運行有傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)的那些(主要在數(shù)據(jù)中心)，建議客戶或合作伙伴采取額外的措施以保護他們的系統(tǒng)。這主要是為防止IT管理員或云提供商無法保證所有虛擬化操作系統(tǒng)都經(jīng)更新的情況。這些額外措施包括啟用特定的虛擬機管理程序核心調(diào)度功能，或選擇在某些特定場景中禁用超線程技術(shù)。雖然這些額外的措施可能只適用于相對較小的部分市場，但我們覺得有必要為所有的客戶提供解決方案。
這些特定案例中，某些工作負載的性能或資源利用率可能會受到不同程度的影響。英特爾及其行業(yè)合作伙伴正努力開發(fā)多個解決方案以消除此影響，客戶可根據(jù)自身需要從中選擇最佳方案。作為解決問題的一部分，我們已經(jīng)開發(fā)了在系統(tǒng)運行期間檢測L1TF相關(guān)漏洞利用的方法，僅在必要時應用緩解措施。我們已向部分合作伙伴提供了該功能的預發(fā)布微代碼以供測試評估，希望能在此后加以推廣。 |
針對上述漏洞，英特爾發(fā)布了帶有詳細信息的技術(shù)白皮書和FAQ。Red Hat 和Oracle也有各自的闡述。
同時，SUSE推出了一份在線咨詢，微軟也為其Windows拿出了安全建議，Xen和VMware對漏洞情況做了詳細描述，Linux內(nèi)核補丁的情況也能在網(wǎng)上查到。換句話說，用戶現(xiàn)在就可以檢查自己的操作系統(tǒng)和虛擬機管理器，找到相應的更新。
到底哪兒出錯了?
我們來對問題打個總結(jié)：基本上，英特爾的CPU無視了操作系統(tǒng)內(nèi)核頁表。微軟Windows和Linux之類的操作系統(tǒng)在內(nèi)存中維護有名為頁表的特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，負責描述物理RAM該怎么分配給活躍應用程序。
這些頁表在英特爾手冊中也有定義，負責指定應用程序能不能在內(nèi)存段中讀寫信息。頁表有個名為“當前(present)”的設(shè)置位，設(shè)置為“1”表明某塊物理RAM可供當前應用程序用于存儲信息。如果設(shè)置為“0”，表明并未分配任何物理RAM，對該區(qū)域的任何訪問都應遭遇“內(nèi)存頁錯誤”的封鎖。
應用程序訪問自身在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)用的是虛擬內(nèi)存地址，該地址必須轉(zhuǎn)換為指向RAM芯片中某個部分的物理內(nèi)存地址才行。
為此，處理器會查詢頁表，以將應用程序的虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成相對應的物理RAM地址。該查詢會耗費掉一定的時間，而現(xiàn)代英特爾CPU不會等待頁表查完，它們會根據(jù)緩存在一級數(shù)據(jù)緩存中的所請求信息的副本，預測性地執(zhí)行代碼——即便頁表指定該數(shù)據(jù)在物理內(nèi)存中已失效而不應被讀取。
其結(jié)果就是，惡意軟件或惡意客戶操作系統(tǒng)可利用該特性，通過強制標記頁面為不存在并觀察有哪些數(shù)據(jù)被預測性地從一級緩存中取出，來確定它本不應讀取的數(shù)據(jù)。當然，這些操作得在處理器的頁面故障電路介入并中斷處理之前做完。
這就要求漏洞利用代碼要運行在執(zhí)行受害代碼的同一塊物理CPU核心上——因為漏洞利用代碼需要觀察一級數(shù)據(jù)緩存。
微軟TechNet和虛擬化博客上也有更進一步的細節(jié)描述。
另外，微軟Azure、AWS和谷歌計算引擎都已經(jīng)推出了緩解措施。
避免被黑
必須指出：目前為止，還沒有惡意軟件在利用相關(guān)的熔斷和幽靈漏洞，上述預測執(zhí)行漏洞也未見野生漏洞利用，這有部分原因是因為業(yè)內(nèi)已經(jīng)推出了緩解措施，還有部分原因是因為另有其他更容易的黑客方法。
相比用特定方法搞定底層硬件開發(fā)出惡意軟件來緩慢抽取內(nèi)存中秘密，用虛假網(wǎng)站騙得用戶輸入網(wǎng)上銀行登錄口令要容易得多。某種程度上，我們還得感謝有別的方法可以讓黑客不去利用這些芯片級漏洞。
英特爾發(fā)言人稱：“今年早些時候發(fā)布的偽代碼，加上14號開始放出的相關(guān)操作系統(tǒng)和虛擬機管理軟件更新，已解決了L1TF問題。我們在網(wǎng)站上提供了更詳細的信息，并一直建議用戶更新系統(tǒng)，因為保持系統(tǒng)更新是受到保護的最佳方式。”
【本文是51CTO專欄作者“”李少鵬“”的原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請通過安全牛（微信公眾號id:gooann-sectv）獲取授權(quán)】
