ローハンマー

Rowhammer （ロウハンマーとも表記）は、ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）の意図しない望ましくない副作用を利用するコンピュータセキュリティエクスプロイトであり、メモリセルが電荷を漏らすことで電気的に相互作用し、元のメモリアクセスでアドレス指定されなかった近くのメモリ行の内容を変更する可能性があります。DRAMメモリセル間の分離の回避は、現代のDRAMのセル密度が高いことに起因し、特別に作成されたメモリアクセスパターンによってトリガーされ、同じメモリ行が何度も急速にアクティブ化される可能性があります。^{[1] [2] [3]}

ロウハンマー効果は、いくつかの権限昇格型コンピュータセキュリティ攻撃に使用されており、^{[2] [4] [5] [6]}、ネットワークベースの攻撃も理論的には可能である。^{[7] [8]}

Rowhammer効果の発生を防ぐためのさまざまなハードウェアベースの技術が存在し、その中には一部のプロセッサやDRAMメモリモジュールで必要なサポートが含まれます。^{[9] [10]}

ダイナミック RAM (DRAM)では、保存されたデータの各ビットは、1 つのコンデンサと 1 つのトランジスタで電気的に実装された個別のメモリセルを占めます。コンデンサの充電状態 (充電または放電) によって、DRAM セルがバイナリ値として「1」または「0」のどちらを保存するかが決まります。膨大な数の DRAM メモリセルが、データの読み取り、書き込み、および更新のためにセルを整理する追加のロジックとともに、集積回路に詰め込まれています。^{[11] [12]}

メモリセル（両方の図の青い四角）は、さらにマトリックスに編成され、行と列を通じてアドレス指定されます。マトリックスに適用されたメモリアドレスは、行アドレスと列アドレスに分割され、行アドレスデコーダーと列アドレスデコーダー（両方の図で、それぞれ垂直と水平の緑の長方形）によって処理されます。行アドレスによって読み取り操作の行が選択されると（選択は行のアクティブ化とも呼ばれます）、行内のすべてのセルのビットが行バッファ（両方の図の赤い四角）を形成するセンスアンプに転送され、列アドレスを使用して正確なビットが選択されます。その結果、読み取り操作は破壊的な性質を持ちます。これは、DRAM の設計では、セルの電荷を行バッファに転送して値を読み取った後にメモリセルを書き換える必要があるためです。書き込み操作も同様の方法でアドレスをデコードしますが、設計の結果、1 つのビットの値を変更するには行全体を書き換える必要があります。^{[1] : 2–3  [11] [12] [13]}

DRAMのメモリセルは、自然放電率を持つコンデンサを使用してデータビットを保存しているため、時間の経過とともに状態が失われ、すべてのメモリセルを定期的に書き換える必要がある。このプロセスはリフレッシュと呼ばれる。^{[1] : 3  [11]}設計上のもう1つの結果として、DRAMメモリは保存されたデータのランダムな変化の影響を受けやすく、これはソフトメモリエラーと呼ばれ、宇宙線などの原因によるものである。ソフトメモリエラーに対抗し、DRAMの信頼性を向上させるさまざまな技術があり、その中で最も一般的に使用されているのはエラー訂正コード（ECC）メモリとその高度なバリアント（ロックステップメモリ​​など）である。^[14]

DRAM 集積回路の密度が高まったことにより、物理的に小さいメモリセルに保持される電荷​​量が少なくなり、動作ノイズマージンが低下し、メモリセル間の電磁相互作用が増加し、データ損失の可能性が高まった。その結果、セルが相互の動作を干渉し、影響を受けるメモリセルに格納されたビットの値がランダムに変化することで発生する外乱エラーが観測されている。外乱エラーの認識は 1970 年代初頭にさかのぼり、Intel 1103 が最初の市販 DRAM 集積回路となった。それ以来、DRAM メーカーはセル間の分離を改善したり、製造テストを実施したりするなど、外乱エラーに対抗するためにさまざまな軽減技術を採用してきた。しかし、研究者は 2014 年の分析で、2012 年と 2013 年に製造された市販のDDR3 SDRAMチップが外乱エラーの影響を受けやすいことを証明し、観測されたビット反転につながる関連する副作用をRowhammerという用語で名付けた。^{[1] [3] [15]}

^{DDR3 メモリ[16]}で Rowhammer 効果が発生する可能性は、主に DDR3 の高密度メモリセルと、セル間の関連する相互作用の結果に起因しますが、DRAM の行の急速なアクティブ化が主な原因であると判明しています。頻繁な行のアクティブ化により、関連する行選択ラインの電圧変動が発生し、近くの (ほとんどの場合は隣接する) メモリ行 (犠牲行と呼ばれる) に属するコンデンサで自然よりも高い放電率を誘発することが確認されています。影響を受けるメモリセルが過度に電荷を失う前にリフレッシュされない場合、障害エラーが発生します。テストでは、約 139,000 回の後続のメモリ行アクセス (キャッシュフラッシュを含む) を実行した後に障害エラーが観察される可能性があり、1,700 セルにつき最大 1 つのメモリセルが影響を受ける可能性があることが示されています。これらのテストでは、障害エラーの率は環境温度の上昇によって大幅に影響されないことも示されていますが、特定のビットパターンによって障害エラー率が大幅に高くなるため、障害エラー率は DRAM の実際の内容に依存します。^{[1] [2] [15] [17]}

両面ハンマーと呼ばれるバリエーションでは、犠牲行を囲む 2 つの DRAM 行をターゲットにしてアクティブ化します。このセクションの図では、このバリエーションは、犠牲行である紫色の行でビット反転を誘発することを目的として、黄色の行の両方をアクティブ化します。テストでは、このアプローチは、犠牲行の隣接する DRAM 行の 1 つだけをアクティブ化するバリエーションと比較して、妨害エラーの発生率が大幅に高くなる可能性があることが示されています。^{[4] [18] : 19–20  [19]}

DRAM ベンダーが緩和策を導入するにつれて、Rowhammer 緩和策を回避するためにパターンはより洗練される必要がありました。最近の Rowhammer パターンには、非均一な周波数ベースのパターンが含まれています。^[20]これらのパターンは、それぞれが異なる周波数、位相、振幅でハンマーされる多くの両面アグレッサ ペアで構成されています。これを使用して、パターンを REFRESH コマンドで同期すると、緩和策が保護を提供できなくなる「死角」を非常に効果的に特定できます。このアイデアに基づいて、学者はすべての DDR4 デバイスで既存の緩和策を回避できるBlacksmith ^[21]という Rowhammer ファザーを構築しました。

Rowhammer効果の検出、防止、修正、緩和には、さまざまな方法があります。テストでは、単一エラー訂正と二重エラー検出（SECDED）機能を備えた単純なエラー訂正コードでは、メモリワードあたり2ビット以上の反転ビットが含まれるため、観測されたすべての障害エラーを訂正または検出できないことが示されています。^{[1] : 8  [15] : 32}さらに、研究によると、正確にターゲットを絞った3ビットのRowhammer反転により、ECCメモリが変更に気付かなくなることが示されています。^{[22] [23]}

あまり効果的ではない解決策は、通常の 64 ミリ秒よりも短いリフレッシュ間隔で、より頻繁なメモリリフレッシュを導入することです^[a]が、この手法では消費電力が増加し、処理オーバーヘッドが増加します。一部のベンダーは、この種の緩和策を実装するファームウェアアップデートを提供しています。 ^[24]より複雑な防止策の 1 つは、頻繁にアクセスされるメモリ行をカウンターベースで識別し、隣接する行を積極的にリフレッシュすることです。もう 1 つの方法は、アクセス頻度に関係なく、アクセスされた行に隣接するメモリ行の不定期なランダム リフレッシュを追加します。研究によると、これら 2 つの防止策はパフォーマンスにほとんど影響を及ぼしません。^{[1] : 10–11  [25]}

Ivy Bridge マイクロアーキテクチャのリリース以降、Intel Xeonプロセッサは、いわゆる疑似ターゲット行リフレッシュ(pTRR) をサポートしています。これは、pTRR 準拠の DDR3デュアル インライン メモリ モジュール(DIMM)と組み合わせて使用​​することで、パフォーマンスや消費電力に悪影響を与えることなく、被害を受ける可能性のある行を自動的にリフレッシュすることで Rowhammer 効果を軽減できます。pTRR に準拠していない DIMM と組み合わせて使用​​する場合、これらの Xeon プロセッサはデフォルトで通常の 2 倍の頻度で DRAM リフレッシュを実行するため、メモリ アクセスのレイテンシがわずかに高くなり、メモリ帯域幅が最大 2～4% 減少する可能性があります。^[9]

JEDEC ^[26]が発行した LPDDR4モバイルメモリ規格には、パフォーマンスや消費電力に悪影響を与えることなく Rowhammer 効果を防ぐ、いわゆるターゲット行リフレッシュ(TRR) のオプションのハードウェアサポートが含まれています。 ^{[10] [27] [28]}さらに、一部のメーカーはDDR4製品に TRR を実装していますが、^{[29] [30]}これは JEDEC が発行した DDR4 メモリ規格の一部ではありません。^[31]内部的には、TRR は行のアクティブ化の数をカウントし、それをチップ固有の定義済み最大アクティブ化カウント(MAC) および最大アクティブ化ウィンドウ(t _{MAW ) 値と比較することで、潜在的な被害者行を識別し、これらの行をリフレッシュしてビット反転を防止します。 MAC 値は、隣接する行が被害者行として識別されるまでの t MAW}時間以下の時間間隔内に特定の DRAM 行で発生する可能性のある行アクティブ化の最大合計数です。 TRRは、隣接する2つの行の行アクティベーションの合計がtMAW時間ウィンドウ内にMAC制限に達した場合にも、その行を被害者行としてフラグ付けすることがある_。 [ ^{26] [32]}調査によると、2019年から2020年の間に製造されたデバイスのDDR4 UDIMMおよびLPDDR4Xチップに導入されたTRR緩和策は、Rowhammerに対する保護には効果的ではないことがわかった。^[20]

Rowhammerエクスプロイトは、大量のDRAM行アクティベーションを高速に実行する必要があるため、キャッシュされていないメモリアクセスを大量に発行し、キャッシュミスを引き起こします。これは、ハードウェアパフォーマンスカウンターを使用してキャッシュミスのレートを監視し、異常なピークを検出することで検出できます。^{[4] [33]}

2013年12月3日にリリースされたMemTest86メモリ診断ソフトウェアのバージョン5.0では、コンピュータのRAMが障害エラーの影響を受けやすいかどうかをチェックするRowhammerテストが追加されましたが、これはコンピュータがUEFIを起動した場合にのみ機能します。UEFIがない場合、ハンマーテストのない古いバージョンが起動します。^[34]

メモリ保護は、プロセスがそれぞれに割り当てられていないメモリにアクセスするのを防ぐ方法であり、ほとんどの現代のオペレーティングシステムの背後にある概念の1つです。メモリ保護を保護リングなどの他のセキュリティ関連のメカニズムと組み合わせて使用​​​​することで、プロセス間の権限分離を実現できます。これにより、プログラムとコンピュータシステム全体が、特定のタスクを実行するために必要な特定の権限に限定された部分に分割されます。権限分離を使用すると、コンピュータセキュリティ攻撃の影響をシステムの特定の部分に限定することで、潜在的な損害の範囲を軽減することもできます。 ^{[35] [36]}

妨害エラー（上のセクションで説明）は、非常に低いハードウェアレベルで「ショート」することで、さまざまな層のメモリ保護を効果的に無効にし、実質的に、プロセスが基礎となるメモリハードウェアを直接操作してメインメモリの任意の部分の内容を変更できるようにする独自の攻撃ベクトルタイプを作成します。 ^{[2] [4] [18] [37]これと比較して、}バッファオーバーフローなどの「従来の」攻撃ベクトルは、さまざまなプログラミングミスを利用して、通常はアクセスできないメインメモリの内容を変更することにより、ソフトウェアレベルで保護メカニズムを回避することを目的としています。 ^[38]

2014年6月に発表されたロウハマー効果に関する最初の研究では、妨害エラーの性質について説明し、攻撃を構築する可能性を示しましたが、実際に機能するセキュリティエクスプロイトの例は示されていませんでした。^[1]その後の2014年10月の研究論文では、ロウハマー効果に起因するセキュリティ関連の問題の存在は示唆されていませんでした。^[16]

2015年3月9日、GoogleのProject Zeroは、Rowhammer効果に基づく2つの機能的な権限昇格エクスプロイトを公開し、 x86-64アーキテクチャ上でのその悪用可能性を明らかにした。公開されたエクスプロイトの1つは、サンドボックス内でx86-64マシン命令の限定されたサブセットを実行するGoogle Native Client （NaCl）メカニズムをターゲットにしており、^{[18] : 27} Rowhammer効果を悪用してサンドボックスから脱出し、システムコールを直接発行する機能を獲得する。CVE - 2015-0565として追跡されているこのNaClの脆弱性は、NaClを変更して（キャッシュラインフラッシュ^[39] ）マシン命令の実行を許可しないようにすることで軽減されており、以前は効果的なRowhammer攻撃の構築に必要であると考えられていた。^{[2] [4] [37]}clflush

Project Zero によって明らかにされた 2 つ目のエクスプロイトは、x86-64 アーキテクチャ上で特権のないLinuxプロセスとして実行され、Rowhammer 効果を悪用して、コンピュータにインストールされているすべての物理メモリへの無制限のアクセスを取得します。このエクスプロイトは、撹乱エラーとメモリ スプレーを組み合わせることで、仮想アドレスを物理アドレスにマッピングするために仮想メモリシステムが使用するページ テーブル エントリ^{[18] : 35 を}変更できるため、エクスプロイトは無制限のメモリ アクセスを取得できます。^{[18] : 34, 36–57}このエクスプロイトは、その性質上、および x86-64 アーキテクチャが特権マシン命令を作成できないことから、Rowhammer 防止メカニズムが組み込まれたハードウェアを使用しないコンピュータではほとんど軽減できません。エクスプロイトの実行可能性をテストしているときに、Project Zero は、テストした 29 台のラップトップのうち約半数で撹乱エラーが発生し、その一部は脆弱なラップトップで Rowhammer を誘発するコードを実行してから 5 分以内に発生したことを発見しました。テストされたラップトップは2010年から2014年の間に製造され、ECC非対応のDDR3メモリを使用していました。^{[2] [4] [37]}clflush

2015 年 7 月、セキュリティ研究者のグループが、アーキテクチャや命令セットに依存しないRowhammer 効果の悪用方法を説明した論文を発表しました。このアプローチでは、命令に依存してキャッシュ フラッシュを実行するのではなく、慎重に選択されたメモリ アクセス パターンを使用してclflush非常に高いレートでキャッシュの削除を引き起こすことで、キャッシュされていないメモリ アクセスを実現します。キャッシュの置き換えポリシーはプロセッサによって異なりますが、このアプローチでは、適応型キャッシュ削除戦略アルゴリズムを採用することで、アーキテクチャの違いを克服しています。^{[18] : 64–68}このアプローチの概念実証は、ネイティブ コード実装と、Firefox 39で実行される純粋なJavaScript実装の両方で提供されています。Rowhammer.js ^[40] と呼ばれる JavaScript 実装は、大規模な型付き配列を使用し、大きなページを使用した内部割り当てに依存しています。その結果、非常に低レベルの脆弱性を非常に高レベルで悪用することを示しています。^{[41] [42] [43] [44]}

2016年10月、研究者らはDRAMMERを公開した。これは、Rowhammerを他の方法と組み合わせて使用​​し、いくつかの人気スマートフォンで確実にルートアクセスを取得するAndroidアプリケーションである。^[45]この脆弱性はCVE - 2016-6728 ^[46]として認識され、1か月以内にGoogleによって緩和策がリリースされた。しかし、攻撃の可能な実装の一般的な性質上、効果的なソフトウェアパッチを確実に実装することは困難である。2018年6月現在、学界と業界によって行われたパッチ提案のほとんどは、展開するのが非現実的であるか、すべての攻撃を阻止するには不十分であった。緩和策として、研究者らは、ガード行でDMAバッファを分離することにより、ダイレクトメモリアクセス（DMA）に基づく攻撃を防ぐ軽量の防御策を提案した。^{[47] [48]}

2021年5月、Googleの研究チームは、一部の新型DRAMチップの物理的特性の悪化を利用した新たなエクスプロイト「Half-Double」を発表しました。^[49]

2024年3月、 ETHチューリッヒの研究者グループは、AMD Zenチップ用のロウハンマーエクスプロイトであるZenHammerを発表し、またDDR5 SDRAMをエクスプロイトするためのロウハンマーの初使用も発表した。^{[50] [51]}

2024年6月、 ETHチューリッヒの研究者グループはRISC-Vチップ用のRowhammerエクスプロイトであるRISC-Hを発表しました。これはRISC-Vに関する最初のRowhammer研究です。^[52]

• メモリスクランブル – メモリに書き込まれたユーザーデータを疑似ランダムパターンに変換するメモリコントローラ機能
• 放射線耐性強化 - 電子部品を電離放射線による損傷や故障に耐えられるようにする行為
• シングルイベントアップセット  - 電子デバイスの敏感なノードにイオンまたは電磁放射線が当たることで発生する状態変化
• ソフトエラー – 信号やデータに誤った変更が加えられるが、基礎となるデバイスや回路には変更が加えられないタイプのエラー

• DRAM に関するメモ (#rowhammer)、2015 年 3 月 9 日、Robert Graham 著
• Rowhammer ハードウェアバグがノートパソコンのセキュリティを破壊する恐れ、InfoWorld2015 年 3 月 9 日、Serdar Yegulalp 著
• DDR3 メモリの既知の障害メカニズムはYouTubeで「Row Hammer」と呼ばれています ( 2014 年 7 月 17 日、Barbara AICHINGER 著)
• 特許 US 20140059287 A1: Row hammer refresh コマンド、2014 年 2 月 27 日、Kuljit Bains 他
• Row Hammer 権限昇格脆弱性、シスコシステムズセキュリティ アドバイザリ、2015 年 3 月 11 日
• ARMOR: ランタイム メモリ ホット行検出器、マンチェスター大学、Mohsen Ghasempour 他著
• メモリエラーを利用した仮想マシンへの攻撃、2003 年 3 月 6 日、Sudhakar Govindavajhala および Andrew W. Appel 著
• DRAM「rowhammer」問題をテストするためのプログラム、ソースコードはGitHubにあります