Riktigt elak hårdvara
Wednesday, April 30th, 2008På USENIX-konferensen Large-Scale Exploits and Emergent Threats 08 (LEET08!) presenterade Samuel T. King, Joseph Tucek, Anthony Cozzie, Chris Grier, Weihang Jiang och Yuanyuan Zhou en mycket intressant artikel om hårdvarubaserade trojaner.
Artikeln Designing and Implementing Malicious Hardware, som utsågs till konferensen bästa artikel, är något av det mest intressanta och skrämmande jag läst på länge. Artikelns sammanfattning beskriver väl vad den handlar om:
Hidden malicious circuits provide an attacker with a stealthy attack vector. As they occupy a layer below the entire software stack, malicious circuits can bypass traditional defensive techniques. Yet current work on trojan circuits considers only simple attacks against the hardware itself, and straightforward defenses. More complex designs that attack the software are unexplored, as are the countermeasures an attacker may take to bypass proposed defenses.
We present the design and implementation of Illinois Malicious Processors (IMPs). There is a substantial design space in malicious circuitry; we show that an attacker, rather than designing one specific attack, can instead design hardware to support attacks. Such flexible hardware allows powerful, general purpose attacks, while remaining surprisingly low in the amount of additional hardware.
We show two such hardware designs, and implement them in a real system. Further, we show three powerful attacks using this hardware, including a login backdoor that gives an attacker complete and highlevel access to the machine. This login attack requires only 1341 additional gates: gates that can be used for other attacks as well.
Malicious processors are more practical, more flexible, and harder to detect than an initial analysis would suggest.
Författarna börjar med att beskriva hur olika attacker rört sig nedåt från applikation och OS till firmware och till virtualiseringssystem. Men, frågar sig författarna, hur svårt är det att modifiera en hårdvarukonstruktion, en processor, så att den dels gör systemet som kör på hårdvaran osäkert, och om det går att göra så att systemet inte märker av modifieringen.
Författarna har valt att modifiera open-source-processorn LEON3 från Göteborgsbaserade Gaisler Research.
LEON3-processorn är placerad i ett högst ordinärt och typiskt HW-system med USB-kontroller, VGA-kontroller m.m. På LEON3-processorn kör man sedan ett normalr GNU/Linux-system. Hela klabbet har realiserats på en Xilinx-FPGA.
I LEON3 har man sedan implementerat olika attacker. Den första attacken är en modifiering till LEON3-processorns MMU som gör att en process som känner till modifieringen kan trigga procesorn att ignorera minnesskydd och låta processen ge sig själv rootaccess. Författarna förklarar:
Our memory access mechanism provides hardware support for unprivileged malicious software by allowing access to privileged memory regions. Malicious software triggers the attack by forcing a sequence of bytes on the data bus to enable the memory access circuits. This sequence can be arbitrarily long to avoid false positives, and the particular sequence must be agreed upon before deployment.
Once the sequence is observed, the MMU in the data cache ignores CPU privilege levels for memory accesses, thus granting unprivileged software access to all memory, including privileged memory regions like the operating system’s internal memory. In other words, loading a magic value on the data bus will disable protection checking.
We implement this technique by modifying the data cache of our processor to include a small state machine that looks for the spe-cial sequence of bytes, plus some additional logic in the MMU to ignore privilege levels when malicious software
Författarna beskriver även en shadow-mod som gör det möjligt att gömma trojan genom att skapa en extra processormod, och kod som körs i denna mod döljs från resten av systemet. Denna shadow-mod används sedan av författarna för att implementera en funktion som snor lösenord samt ett sätt att implementera en bakdörr rätt in i OS:et. Mycket imponerande, fräckt och skrämmande.
Det författarna visar är hur lite som krävs för att implementera den här typen av funktioner. Författarna lade till mindre än 200 rader kod till VHDL-koden LEON3 består av. Minnesmodifieringen krävde knappt 1000 gates och shadow-funktionen drygt 1300 gates. Närmast avrundningsfel i en modern HW-konstruktion.
Författarna avslutar sin artikel med en diksussion om hur man kan skydda sig mot den här typen av attacker. Bla om man kan använda sidoeffekter för att detektera om en krets utför operationer man inte tänkt. Författarna konstaterar att det i dag antagligen finns få/inga vettiga skyddmekanismer, vilket jag håller med om.
Frågan man bör ställa sig i det här läget är dock: Men hur stor är risken egentligen?
Som exempel på ett ökande risk för trojaner i hårdvarukonstruktioner citerar författarna en rapport från USAs Department of Defence Science Board som bland annat skriver att
First, it has become economically infeasible to procure high performance ICs other than through commercial suppliers. Second, these commercial suppliers are increasingly moving the design, manufacturing, and testing stages of IC production to a diverse set of countries, making securing the IC supply chain infeasible. Together, commercial-off-the-shelf (COTS) procurement and global production lead to an “enormous and increasing” opportunity for attack
Att det finns problem med äktheten hos kretsar visar om inte annat att det nu bildas organisationef för att försöka stävja den snabbt ökande förekomsten av piratkopierade kretsar.
Det är inte så svårt att tänka sig att dessa kretsar skulle kunna innehålla mer än den piratkopierade konstruktionen. Man får ett mervärde man kanske inte hade tänkt sig. (Tomas Gilså uppmärksammade detta i en artikel om risker med piratkopierade routrar och switchar - ja jag är citerad.
På Cryptography-listan kommenterade Karsten Nohl trenden mot snabbt ökande komplexitet på chipnivå och användningen av IP-cores med:
Hardware designs currently move away from what in software would be open source. Chip obfuscation meant to protect IP combined with the ever increasing size of chips makes it almost impossible to reverse-engineer an entire chip.
Helt sant. I dag bygger man chip med allt fler och allt större IP-cores. Men hur vet man att dom faktiskt bara gör det dom säger att dom gör. Att kontrollera att konstruktionen följer en spec är en sak, men att visa att den även kan göra något mer?
Så möjligheten att modifiera konstruktioner, och den vägen få in en elak HW-funktion finns, frågan är om det finns kompetens och motivation? Kompetens kan man tyvärr köpa, så frågan är om någon är intresserad. Skall man döma av den snabbt ökande ekonomiska IT-brottsligheten finns det en hel del som är beredda att jobba hårt och lägga mycket pengar på att vara elaka.
Den här artikeln har uppmärksammats en del på krypto- och säkerhetslistor. Även Matt Blaze har bloggat kloka tankar som är värda att läsa. I diskussionen på Cryptography påpekades det att mikrokoden i Intels och AMDs processorer går att uppdatera. Hur kontrolleras att den mikrokod som laddas ner är ok? Någon som vet?
Jag tycker att artikeln som presenterades på LEET08 är mycket, mycket intressant. Och jag hoppas att artikeln får uppföljning i form av metodik och verktyg för att inspektera HW-konstruktioner och chip. Jag tror att vi kommer att behöva återkomma till den här frågan.
