トレゾア

TRESOR ( 「TRESOR Runs Encryption Securely Outside RAM」の再帰的頭字語であり、ドイツ語で金庫を意味する) は、ランダム アクセス メモリ(RAM)ではなくCPU レジスタ内で暗号化を実行することで、CPUのみを使用して暗号化し、コンピュータ システムに対するコールド ブート攻撃からコンピュータを防御するLinux カーネルパッチです。これは、汎用コンピュータ向けに提案されている 2 つのソリューションのうちの 1 つです。もう 1 つは「フローズン キャッシュ」と呼ばれ、代わりにCPU キャッシュを使用します。^[1]これは、EuroSec 2010 で発表され、USENIX Security 2011で発表された前身の AESSE から開発されました。 ^[2]作成者によると、これにより、システムを妨害することなく、セキュリティの観点から RAM を信頼できないものとして扱うことができるとのことです。

コンピュータ セキュリティにおいて、データ セキュリティに関する一般的な問題は、侵入者がコンピュータ上の暗号化されたデータにどのようにしてアクセスできるかということです。現代の暗号化アルゴリズムは、正しく実装され、強力なパスワードが使用されているため、現在の技術では解読できないことが多いため、データ セキュリティの側面を利用して暗号化をはるかに少ない労力で「解読」したり、完全に回避したりすることで、この要件を回避する手法に重点が移っています。

コールドブート攻撃は、侵入者が実行中のマシンに物理的にアクセスできる場合、システム セキュリティにもかかわらず暗号化を破ることができる手段の 1 つです。これは、コンピューターで一般的に使用されているメモリ デバイス内の回路の物理的特性を前提としています。概念は、コンピューター システムが暗号化されたデータを公開している場合、そのデータの読み取りまたは書き込みに使用される暗号化キー自体は、通常、物理メモリ内に、読み取り可能な形式で一時的に保存されるというものです (通常のシステムでは、許可されたユーザーからの指示に応じてシステム自体がデータにアクセスできなければならないため、使用中にこれらのキーを「プレーン」形式で保持することは困難または不可能です)。通常、これは許可されていない侵入者にとってメリットがありません。たとえば、ソフトウェアまたはシステムに組み込まれたセキュリティにより、これらのキーにアクセスしたり使用したりできないためです。ただし、コンピューターをすばやく再起動したり、デバイスを別のデバイスに取り外したりするなど、実行中のシステムの外部からメモリ デバイスにアクセスして内容を失うことなくアクセスできる場合は、使用中の暗号化キーを含む現在の内容を読み取り、使用できます。これは、システムがロックされている、ブービートラップやその他の侵入制御がある、法医学的または証拠目的でデータが変更なしの状態で保証されている必要があるなど、システムを使用してそのデータを表示、コピー、またはアクセスできない場合に重要になります。

これはハードウェア自体の物理的特性であり、メモリ デバイスの物理的特性に基づいているため、介入時点でメモリ内で実行されているすべてのソフトウェアにアクセスできるようになるため、純粋なソフトウェア技術では簡単に破ることはできません。その結果、この方法でキーにアクセスできる暗号化ソフトウェアは、このような攻撃に対して脆弱になります。通常、コールド ブート攻撃では、メモリ チップを冷却するか、コンピューターをすばやく再起動し、データがすぐに失われない (または、電源が非常に速く回復した場合は失われない) という事実を悪用し、介入時点で保持されていたデータは調査可能なままになります。

したがって、コールド ブート攻撃は、不正なデータの盗難、紛失、またはアクセスの手段となる可能性があります。侵入者がハードウェア レベルで暗号化キーにアクセスできない場合、つまり、使用時にキーが保存されているデバイスがコールド ブート攻撃を受けにくい場合、このような攻撃は無効化されますが、これは通常のケースではありません。

TRESOR は、このセキュリティ上の脆弱性を解決するために、暗号化キーをCPUのみで保存および操作し、リング 0 (最高権限レベル) でのみアクセス可能なレジスタに格納するソフトウェア アプローチです。例外は、セッション開始時の初期計算の短い期間です。これにより、暗号化キーがユーザー空間コードやコールド ブート攻撃の後に利用されることはほとんどありません。TRESOR は、 x86 デバッグ レジスタに暗号化キーを保存するカーネルへのパッチとして記述され、オンザフライラウンド キー生成、アトミック性、およびデバッグ レジスタへの通常のptraceアクセスのブロックを使用してセキュリティを確保します。

TRESOR は、コールド ブート攻撃の問題を分析した Tilo Muller の 2010 年の論文によって予兆されていました。彼は、現代のx86プロセッサには、CPU ベースのカーネル暗号化が現実的なレジスタ領域が 2 つあると結論付けました。1つはSSEレジスタで、これはすべての SSE 命令 (および必然的にそれらに依存するすべてのプログラム) を無効にすることで実質的に特権にすることができます。もう 1 つはデバッグ レジスタです。デバッグ レジスタははるかに小さいですが、そのような問題はありません。彼は後者を他の人に調査させ、 SSE レジスタ メソッドに基づいてParanoixと呼ばれる概念実証ディストリビューションを開発しました。^[3]

開発者らは、「 AES-NIをサポートする64ビットCPUでTRESORを実行すると、 AESの一般的な実装と比較してパフォーマンスの低下はありません」と述べており、^[4]キーの再計算が必要であるにもかかわらず、標準的な暗号化よりもわずかに高速に実行され、その結果は当初、作者らも驚きました。^[2]

著者の論文では次のように述べられています。

• CPU データが RAM に漏洩する可能性は排除できませんが、正式なテスト中にこれが発生したケースは確認できませんでした。このようなケースは修正可能であると予想されます。
• 実行中のシステムのカーネル経由で暗号化キーにルートアクセスすることは、これらをサポートするようにコンパイルされている場合は、ロード可能なカーネルモジュールまたは仮想メモリ ( /dev/kmem ) と物理メモリ ( /dev/mem ) を使用して可能ですが、それ以外の場合は、標準の実行中のシステムでは既知の方法ではアクセスできないようです。
• ACPIスリープおよび低電力状態: - 実際のプロセッサでは、ACPI S3 状態 (suspend-to-ram) および S4 (suspend-to-disk) 状態の間は CPU がオフになるため、レジスタはゼロにリセットされます。
• CPU に対するコールド ブート攻撃: - 実際のプロセッサでは、ハードウェア リセットとソフトウェア リセット (" Ctrl-Alt-Delete ") の両方でレジスタがゼロにクリアされます。ただし、CPU レジスタはシミュレートされたハードウェア リセット中にはリセットされますが、ソフトウェア リセット中にはリセットされないため、現在仮想マシンでは脆弱です。著者は、これは仮想マシンの多くの実装における明らかな欠陥であると考えていますが、仮想マシン上のすべてのレジスタはホスト システムを使用してアクセスできる可能性があるため、これが修正されたとしても仮想システムは本質的に脆弱であることに注意してください。
• TRESORは、CPUがAES命令セット拡張をサポートしている場合、AES-NI命令の設計によりタイミング攻撃やキャッシュベース攻撃に耐性があります。^[5] 2011年時点でAES拡張を処理できるプロセッサは、Intel WestmereとSandy Bridge（一部のi3を除く）と後継機、AMD Bulldozer、および特定のVIA PadLockプロセッサです。
• 2012年に発表されたTRESOR-HUNTという論文では、DMA攻撃によってこのシステムを破壊する方法が示されており、TRESORによって課せられた「ロックアウト」を回避し、リング0（最高権限レベル）で目に見えない形で機能するコードを挿入することで、デバッグレジスタからキーを読み取り、通常のメモリに転送することが可能になる。この論文では、このような攻撃を軽減する方法も提案されている。^[6]

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