概要 Meltdownは、多くの最新CPU の設計に内在する競合状態 を悪用します。これは、命令 処理中のメモリアクセスと権限チェックの間で発生します。さらに、キャッシュサイドチャネル攻撃と組み合わせることで、この脆弱性により、プロセスは、 オペレーティングシステム や他の実行中のプロセスに属するデータへのアクセスからエクスプロイトプロセスを隔離する通常の権限チェックを回避できます。この脆弱性により、権限のないプロセスは、現在のプロセスのメモリ 空間にマッピングされている任意のアドレスからデータを読み取ることができます。影響を受けるプロセッサは命令パイプライン 処理を実装しているため、権限のないアドレスからのデータは、アウトオブオーダー実行 中にほぼ必ずCPUのキャッシュ に一時的にロードされ、そこからデータを復元できます。これは、権限チェックのために元の読み取り命令が失敗した場合や、読み取り可能な結果が生成されなかった場合でも発生する可能性があります。
多くのオペレーティングシステムは 、物理メモリ、カーネル プロセス、および実行中のユーザー空間プロセスを各プロセスのアドレス空間に マッピングする ため、Meltdownは、不正なプロセスが、本来アクセスできるべきかどうかに関わらず、物理メモリ、カーネルメモリ、またはその他のプロセスのマッピングされたメモリを読み取ることを事実上可能にします。Meltdownに対する防御策としては、このような脆弱性を悪用される可能性のある方法でのメモリマッピングの使用を避ける(つまり、ソフトウェアベースのソリューション)か、根本的な競合状態を回避する(つまり、CPUのマイクロコード または実行パスを変更する)必要があります。
この脆弱性は、特権データが非特権プロセスの仮想メモリにマッピングされるあらゆるオペレーティングシステムで有効であり、これには多くの最新のオペレーティングシステムが含まれます。これらのコンピュータで使用されているマイクロプロセッサの種類にほとんど違いがないため、Meltdownは現在確認されているよりも広範囲のコンピュータに影響を与える可能性があります。
Meltdown攻撃は、実行されても従来のログファイルに痕跡を残さないため、検出することはできません。[ 31 ] [ 32 ]
歴史 Meltdownは、Google のProject Zero のJann Horn 、Cyberus TechnologyのWerner HaasとThomas Prescher、そしてグラーツ工科大学 のDaniel Gruss、Moritz Lipp、Stefan Mangard、Michael Schwarzによってそれぞれ独立に発見されました。[ 33 ] Meltdownを発見した研究チームは、Spectreも発見しました。このセキュリティ脆弱性は、「基本的にハードウェアによって通常強制されるセキュリティ境界を溶かす」ことからMeltdownと呼ばれています。[ 31 ]
1995年5月8日、1995年IEEEセキュリティおよびプライバシーシンポジウムで発表された「Intel 80x86プロセッサアーキテクチャ:セキュアシステムの落とし穴」という論文は、CPUキャッシュと翻訳ルックアサイドバッファ(TLB)内の 隠蔽されたタイミングチャネル について警告した。[ 34 ] この分析は、国家安全保障局 の信頼できる製品評価プログラム(TPEP)の支援の下で行われた。 2012年7月、AppleのXNU カーネル(macOS 、iOS 、tvOS などで使用)は、OS X Mountain Lion 10.8のリリースに伴い、カーネルアドレス空間レイアウトランダム化(KASLR)を採用しました。本質的には、カーネル拡張機能( kext )やメモリ領域を含むシステムの基盤が、起動プロセス中にランダムに再配置され、オペレーティングシステムの攻撃に対する脆弱性を低減することを目的としています。[ 35 ] 2014年3月、Linux カーネルはアドレスリークを軽減するためにKASLRを採用した。[ 36 ] 2016年8月8日、Anders FoghとDaniel GrussはBlack Hat 2016カンファレンスで「文書化されていないCPU動作を使用してカーネルモードを覗き込み、その過程でKASLRを破壊する」という発表を行った。[ 37 ] 2016年8月10日、グラーツ工科大学のMoritz Lippらは、第25回USENIX セキュリティシンポジウムの議事録に「ARMageddon: モバイルデバイスへのキャッシュ攻撃」を発表した。この論文はARMに焦点を当てていたが、攻撃ベクトルの基礎を築いた。[ 38 ] 2016年12月27日、33C3 で、グラーツ工科大学のクレメンティーヌ・モーリスとモーリッツ・リップは、「< ここにx86命令を挿入> で何が問題になる可能性があるか?副作用にはサイドチャネル攻撃とカーネルASLRのバイパスが含まれる」という講演を行い、すでに何が起こるかを示していた。[ 39 ] 2017年2月1日、CVE番号2017-5715、2017-5753、および2017-5754がインテルに割り当てられました。 2017年2月27日、アムステルダム自由大学のBosmanらは、NDSSシンポジウムで、キャッシュベースのアーキテクチャにおいて アドレス空間レイアウトランダム化 (ASLR)がどのように悪用される可能性があるかについての研究結果を発表した。[ 40 ] 2017年3月27日、グラーツ工科大学の研究者らは、キャッシュDRAMサイドチャネルを悪用するために細かいタイマーの代わりに特定のCPU命令を使用することで、同じシステム上で実行されているIntel SGX エンクレーブから5分以内にRSA キー を取得できる概念実証を開発した。 [ 41 ] 2017 年 6 月、KASLR に多数の新たな脆弱性が発見されました。[ 42 ] グラーツ工科大学の研究では、不正なページへのアクセスをすべて防止することでこれらの脆弱性を解決する方法が示されました。[ 43 ] その結果として得られたKAISER 技術に関するプレゼンテーションが 2017 年 7 月に Black Hat 会議に提出されましたが、主催者によって却下されました。[ 44 ] それにもかかわらず、この研究は2017 年にカーネル ページ テーブル分離 (KPTI、当初は KAISER として知られていた) につながり、まだ発見されていない Meltdown に対する限定的な保護を含む多数のセキュリティ バグを排除することが確認されました。この事実は Meltdown の著者によって確認されています。[ 45 ] 2017年7月、セキュリティ研究者アンダース・フォグがCyberWTFウェブサイトで公開した研究では、無効な権限で取得したデータに基づいて投機的操作の結果を観察することで、カーネル空間のデータを読み取るキャッシュタイミング攻撃の使用について概説した。[ 46 ] 2017年10月、NetBSD-currentにamd64でのKASLRサポートが追加され、NetBSDは カーネルアドレス空間レイアウトランダム化をサポートする最初の完全オープンソースBSDシステムとなった。[ 47 ] しかし、 macOSやiOS(その他)の基盤となっている部分的にオープンソースの[ 48 ] Apple Darwinは FreeBSD をベースにしており、上記のように2012年にXNUカーネルにKASLRが追加された。 2017年11月14日、セキュリティ研究者のアレックス・イオネスクは、Windows 10の新バージョンで速度低下を引き起こす変更について公に言及したが、その変更の必要性については説明せず、Linuxでの同様の変更に言及しただけだった。[ 49 ] 影響を受けるハードウェアおよびソフトウェアベンダーが2017年7月28日にこの問題を認識した後、[ 50 ] 2つの脆弱性は、ニュースサイトがLinuxカーネルへのコミットとメーリングリストへのメールについて報道し始めた2018年1月9日の調整リリース日の数日前である2018年1月3日に共同で公開されました。[ 9 ] その結果、脆弱性が公開された時点では、Ubuntu などの一部のプラットフォーム向けのパッチは利用できませんでした。[ 51 ] 2018年1月28日、インテルはメルトダウンとスペクターのセキュリティ脆弱性に関する情報を、米国政府に欠陥を通知する前に中国のテクノロジー企業と共有していたと報じられた。[ 52 ] 2018年10月8日、インテルは最新のプロセッサにSpectreとMeltdownの脆弱性に関するハードウェアとファームウェアの緩和策を追加したと報じられた。[ 30 ] 2018 年 11 月、攻撃の 2 つの新しい亜種が明らかになった。研究者らは、メモリ保護とBOUND命令の脆弱性を悪用するコードを使用して CPU 保護メカニズムを侵害しようとした。また、メモリのアライメント、ゼロ除算、スーパーバイザ モード、セグメント制限、無効なオペコード、および実行不可能なコードに対する CPU 操作を悪用しようとしたが失敗した。[ 53 ]
機構 Meltdown [ 45 ] は、命令実行と特権チェックの間に発生するCPU の 競合状態 に依存しています。簡単に言うと、命令実行によって、特権チェックによってプロセスに隠されていない情報となる副作用が残ります。Meltdown を実行するプロセスは、これらの副作用を使用してメモリ マップ データ の値を推測し、特権チェックを回避します。以下では、エクスプロイトの概要と、そのターゲットとなるメモリ マップについて説明します。この攻撃は、元の論文で使用された主なテスト ターゲットであるMicrosoft Windows またはLinuxを実行する Intel プロセッサに関して説明されていますが、 macOS (別名 OS X)、iOS 、Android など、他のプロセッサやオペレーティングシステムにも影響します。[ 45 ]
背景 – 最新のCPU設計現代のコンピュータプロセッサは、 高い効率性を実現するために様々な技術を用いている。メルトダウンに特に関連する、広く用いられている4つの機能は以下のとおりである。
仮想(ページング)メモリは 、メモリマッピング とも呼ばれ、メモリへのアクセスをより効率的にし、どのプロセスがどのメモリ領域にアクセスできるかを制御するために使用されます。 現代のコンピュータは通常、多数のプロセスを並列実行します。WindowsやLinux など のオペレーティングシステムでは、各プロセスはコンピュータの 物理メモリ を完全に独占的に使用できるかのように認識され、自由に操作できます。しかし実際には、プロセスが特定のメモリアドレスを使用しようとした際(読み書きを試みた際)、利用可能なメモリの「プール」として機能する物理メモリからメモリが割り当てられます。これにより、カーネル やオペレーティングシステム 自体を含む複数のプロセスが同じシステム上で共存しながら、他の実行中のプロセスに影響を受けることなく、また不正なプロセスによる干渉や不正なデータ漏洩の危険にさらされることなく、それぞれの活動と整合性を維持できます。 特権レベル 、または保護ドメインは、 オペレーティングシステムが どのプロセスが仮想メモリのどの領域を読み取ることを許可されている かを制御する手段を提供する仮想メモリによって、コンピュータは物理的に収容できるメモリよりもはるかに多くのメモリを参照できるため、すべてのプロセスとその使用中のメモリ(実質的にはすべての アクティブなプロセスのすべての メモリ)を各 プロセスの仮想メモリに「マッピング」することで、システムの処理速度を大幅に向上させることができます。一部のシステムでは、さらなる速度と効率性のために、すべての物理メモリもマッピングされます。これは通常、安全であると考えられています。なぜなら、オペレーティングシステムはプロセッサ自体に組み込まれた特権制御 を利用して、特定のプロセスがアクセスできるメモリ領域を制限できるからです。許可されたメモリへのアクセスはすぐに成功し、許可されていないメモリへのアクセスは例外を発生させて読み取り 命令を無効にし、失敗します。許可されていないメモリから読み取ろうとした場合の動作は、呼び出し元のプロセスまたはオペレーティングシステムによって制御されます。通常はエラー状態が発生し、読み取りを実行しようとしたプロセスは終了します。許可されていない読み取りは通常、通常のプログラム実行の一部ではないため、特権メモリへのアクセスを必要とする関数を実行するたびにプロセスを一時停止して、そのメモリを読み取り可能なアドレス空間にマッピングするよりも、この方法を使用する方がはるかに高速です。オペレーティングシステムが、不正なメモリ位置へのアクセスを試みるプロセスを即座に中断して終了させる場合、プロセスはプロセッサをだまして不正なメモリ アドレスに 1 つだけアクセスさせることに成功し、副作用を分析して結果を保存する時間はほとんどないでしょう。一方、オペレーティングシステムがプロセスにアクセス違反 からの回復 と続行を許してしまうと、プロセスは副作用を分析し、結果を保存し、このシーケンスを毎秒数百万回繰り返すことで、毎秒数千バイトの特権データを発見してしまう可能性があります。 命令パイプライン 処理と投機的実行は 、命令を可能な限り効率的な方法で実行できるようにするために使用されます。必要に応じて、 CPU 内のさまざまな処理ユニットで命令を順不同または並列に実行できます。ただし、結果が正しいことが前提です。 現代のプロセッサは、多数の独立した実行ユニット と、命令をデコードして実行時に最も効率的な実行方法を決定するスケジューラを 備えているのが一般的です。これには、異なる実行ユニット上で2つの命令を同時に、あるいは順不同で実行できるという決定が含まれる場合があります(「命令パイプライン処理」と呼ばれます)。正しい結果が得られる限り、プロセッサのすべての実行ユニットを可能な限り使用し続けることで効率が最大化されます。条件分岐 などの一部の命令は、条件に応じて2つの異なる結果のいずれかにつながります。たとえば、値が0の場合は1つのアクションを実行し、それ以外の場合は別のアクションを実行します。場合によっては、CPUはどの分岐を実行するべきかまだわからないことがあります。これは、値がキャッシュされていないことが原因である可能性があります。正しいオプションを学習するのを待つのではなく、CPUはすぐに実行を進めることができます(投機的実行)。その場合、正しいオプションを推測するか(予測的実行)、あるいは両方を 実行することもできます(即時実行)。 CPUが誤ったオプションを実行した場合、誤った推測によるすべての影響を破棄しようとします。 CPUキャッシュ とは、CPU内部にある少量のメモリで、CPUが高速で動作できるようにし、メモリへのアクセスを高速化し、命令を効率的に「インテリジェント」に実行できるようにするために使用される。 CPUの観点から見ると、コンピュータの物理メモリへのアクセスは遅い。また、CPUが実行する命令は、多くの場合、繰り返し実行されるか、同じまたは類似のメモリに何度もアクセスする。CPUのリソースを効率的に利用するために、最新のCPUには、CPUキャッシュ と呼ばれる、少量の高速なオンチップメモリが搭載されていることが多い。物理メモリからデータにアクセスしたり、命令を読み出したりすると、その情報のコピーが同時にCPUキャッシュに保存される。CPUが後で同じ命令やメモリの内容を再び必要とする場合、物理メモリへの要求を待つことなく、自身のキャッシュから最小限の遅延で取得できる。
Meltdownの悪用 通常、上記のメカニズムは安全であると考えられています。これらは、ほとんどの最新のオペレーティングシステムとプロセッサの基盤となっています。Meltdown は、これらの機能の相互作用を利用して、CPU の基本的な特権制御を回避し、オペレーティングシステムや他のプロセスから特権のある機密データにアクセスします。Meltdown を理解するには、仮想メモリにマッピングされているデータ (その多くはプロセスがアクセスできないはずです) と、プロセスが不正なメモリにアクセスしようとしたときに CPU がどのように応答するかを考えてください。プロセスは、脆弱なバージョンのWindows 、Linux 、またはmacOS 上で、脆弱なタイプの64 ビットプロセッサ上で実行されています。 [ 45 ] これは、ほとんどすべてのデスクトップ コンピュータ、ノートブック、ラップトップ、サーバー、モバイル デバイスで非常に一般的な組み合わせです。
CPUは、仮想メモリシステムと権限チェックによってプロセスがアクセスを禁止されているアドレスにある値Aにアクセスする命令を検出します。投機的実行のため、この命令はスケジュールされ、実行ユニットにディスパッチされます。この実行ユニットは、権限チェックとメモリアクセスの両方をスケジュールします。 CPUは、攻撃者によって選択されたアドレスBase+Aにアクセスする命令に遭遇する。この命令はスケジューリングされ、実行ユニットにディスパッチされる。 特権チェックは、実行ユニットに対し、アクセスに関係する値 A のアドレスがプロセスに対して禁止されていること (仮想メモリ システムに格納されている情報による) を通知し、したがって命令は失敗し、後続の命令は効果を持たないはずです。しかし、これらの命令は投機的に実行されたため、Base+A のデータは特権チェックの前に キャッシュされている可能性があり、実行ユニット (または CPU の他の部分) によって元に戻されていない可能性があります。これが実際にそうである場合、キャッシュする行為自体が情報漏洩となります。この時点で、Meltdown が介入します。[ 45 ] このプロセスは、メモリオペランドを直接参照する命令を実行することで、タイミング攻撃を 実行します。効果を発揮するには、これらの命令のオペランドが、拒否された命令のオペランドのアドレス(Base+A)を包含するアドレスにある必要があります。拒否された命令が参照するアドレス(Base+A)のデータはキャッシュされているため、同じアドレスを直接参照する命令の方が高速に実行されます。このプロセスは、このタイミングの差を検出し、拒否された命令に対して計算されたアドレス(Base+A)を特定することで、禁止されたメモリ アドレスにおける値 A を特定できます。 Meltdownは、この手法を順番に使用して、関心のあるすべてのアドレスを高速で読み取ります。実行中の他のプロセスによっては、メモリマップに存在する任意のプロセスの任意のアドレスから、パスワード、暗号化データ、その他の機密情報が含まれる可能性があります。実際には、キャッシュサイドチャネル攻撃は遅いため、データを1ビットずつ抽出する方が高速です( 8ビットすべてを一度に読み取ろうとすると256ステップ かかるのに対し、1バイトを読み取るには2×8=16回のキャッシュ 攻撃で済みます)。
インパクト Meltdownの影響は、CPUの設計、オペレーティングシステムの設計(特にメモリページングの使用方法)、悪意のある第三者がそのシステム上で任意のコードを実行できる能力、そして実行できた場合に読み取れるデータの価値によって異なります。
CPU – 1990年代後半から2018年初頭にかけて最も広く使用された最新のCPUの多くは、悪用可能な設計になっています。しかし、CPU設計内でこの脆弱性を軽減することは可能です。特権のない命令のメモリアクセスを検出して回避できるCPU、キャッシュタイミング攻撃や同様のプローブの影響を受けないCPU、または命令を放棄する過程で非特権検出時にキャッシュエントリを削除し(許可されるまで他のプロセスがアクセスできないようにする)、キャッシュエントリを削除するCPUであれば、この方法で悪用されることはありません。一部の識者は、すべてのソフトウェアソリューションは「回避策」であり、真の解決策は影響を受けるCPU設計を更新して根本的な脆弱性を取り除くことだけだと考えています。オペレーティングシステム – 広く使われている汎用オペレーティングシステムのほとんどは、設計の一部として特権レベルと仮想メモリマッピングを使用しています。Meltdownはメモリマップされたページにしかアクセスできないため、すべてのアクティブなメモリとプロセスがすべてのプロセスでメモリマップされている場合に最も大きな影響があり、オペレーティングシステムがこのような方法でほとんど何もアクセスできないように設計されている場合に最も影響が小さくなります。オペレーティングシステムは、このようなプローブ試行で有用な情報が明らかにならないようにすることで、ソフトウェアである程度軽減することもできます。最新のオペレーティングシステムは速度向上のためにメモリマッピングを使用しているため、パフォーマンスの低下につながる可能性があります。仮想マシン – Meltdown 攻撃は仮想マシンから脱出するために使用できません。つまり、完全に仮想化されたマシンでは、ゲスト ユーザー空間はゲスト カーネル空間から読み取ることができますが、ホスト カーネル空間からは読み取ることができません。 [ 54 ] このバグは、同じページ テーブル で表されるアドレス空間からメモリを読み取ることを可能にします。つまり、このバグは仮想テーブル間では機能しません。つまり、ゲストからホストへのページ テーブルは影響を受けず、ゲストから同じゲストまたはホストからホスト、そしてホストが既にゲスト ページにアクセスできるため、ホストからゲストのみが影響を受けます。これは、同じ完全に仮想化されたハイパーバイザ 上の異なる VM は互いのデータにアクセスできませんが、同じゲスト インスタンス上の異なるユーザーは互いのデータにアクセスできることを意味します。 [ 55 ] 組み込みデバイス – 脆弱なチップの中には、 ARM やIntel が設計した、携帯電話、スマート TV、ネットワーク機器、車両、ハード ドライブ、産業用制御機器などのスタンドアロンおよび組み込みデバイス向けのチップが含まれます。すべての脆弱性と同様に、第三者がデバイス上でコードを実行できない場合、その内部の脆弱性は悪用できません。たとえば、携帯電話やIoT の 「スマート」デバイスに搭載されている ARM プロセッサは脆弱である可能性がありますが、キッチン家電やハード ドライブ コントローラなど、新しいコードをダウンロードして実行できないデバイスで使用されている同じプロセッサは悪用できないと考えられています。 [ 56 ] 具体的な影響は、OS のアドレス変換メカニズムの実装と基盤となるハードウェア アーキテクチャによって異なります。この攻撃は、保護されている場合でも、ユーザー アドレス空間にマッピングされたメモリの内容を明らかにする可能性があります。たとえば、カーネル ページ テーブル分離 が導入される前は、ほとんどのバージョンの Linux では、すべての物理メモリがすべてのユーザー空間プロセスのアドレス空間にマッピングされていました。マッピングされたアドレスは(ほとんどの場合)保護されており、ユーザー空間からは読み取れず、カーネルに移行したときにのみアクセス可能でした。これらのマッピングの存在により、カーネルへの移行とカーネルからの移行は高速化されますが、Meltdown の脆弱性が存在する場合は安全ではありません。なぜなら、上記の方法により、すべての物理メモリの内容(他のプロセスやカーネルに属するパスワードなどの機密情報が含まれている可能性がある)が、ユーザー空間の特権のないプロセスによって取得される可能性があるからです。
研究者によると、「アウトオブオーダー実行を 実装しているすべてのインテル製プロセッサが影響を受ける可能性があり、これは実質的に1995年以降のすべてのプロセッサ(インテル・イタニウム と2013年以前のインテル・アトム を除く)に該当する」とのことです。[ 33 ] インテルは報告されたセキュリティ脆弱性に対して公式声明を発表しました。[ 57 ]
この脆弱性は、 Amazon Web Services (AWS) [ 58 ] やGoogle Cloud Platform などの主要なクラウド プロバイダー に影響を与えると予想されています。クラウド プロバイダーは、ユーザーが機密データが保存されている可能性のある同じ物理サーバー上でプログラムを実行することを許可しており、そのデータが保存されている特権メモリ位置への不正アクセスを防ぐために CPU が提供する保護機能に依存していますが、Meltdown エクスプロイトはこの機能を回避します。
元の論文では、準仮想化 ( Xen ) やDocker 、LXC 、OpenVZ などのコンテナ が影響を受けると報告されています。[ 54 ] [ 45 ] 完全仮想化マシンへの攻撃では、ゲストユーザー空間がゲストカーネルメモリから読み取れるが、ホストカーネル空間からは読み取れないと報告されています。
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外部リンク MeltdownおよびSpectre脆弱性に関する公式ウェブサイト Google Project Zeroに関する記事 国家脆弱性データベース におけるCVE-2017-5754Meltdownの概念実証は、Meltdownに関する論文を発表した研究者らによって公開された。 私はメルトダウンの影響を受けているか? – ラファエル・S・カルヴァーリョ作成のメルトダウンチェッカーツール メルトダウン/スペクターチェッカーギブソン・リサーチ・コーポレーション