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Lazy FPU Save/Restore (CVE-2018-3665)

Solution Verified - Updated -

Environment

  • Red Hat Enterprise Linux 5
  • Red Hat Enterprise Linux 6
  • Red Hat Enterprise Linux 7

Issue

Red Hat은 최신 마이크로프로세서 (x86)에서 실행되는 운영 체제 및 가상 시스템이 응용 프로그램 프로세스간에 컨텍스트를 전환할 때 “eagerly” 저장 및 복원하지 않고 “lazy restore”를 사용하여 부동 소수점 상태를 처리하는 문제를 인식하고 있습니다. 공격자는 “lazy restore” 부동 소수점 상태 처리를 악용하여 암호화 작업을 비롯하여 다른 응용 프로그램의 동작 정보를 얻을 수 있습니다. 본 취약점은 최근에 발견된 사이드 채널 공격 취약점과 유사한 CPU 추측 실행에 영향을 미칩니다. 이번 취약점에서는 프로세스가 “lazy restore”되는 다른 프로세스의 부동 소수점 레지스터를 읽을 수 있습니다. 본 문제는 CVE-2018-3665로 지정되어 있으며 Red Hat 제품 보안팀에서는 이번 업데이트에서 중간 정도의 보안 영향을 미치는 것으로 분류하고 있습니다.

Resolution

RHEL-7에서 완화 방법

  • RHEL-7은 Sandy Bridge 및 최신 Intel 프로세서에서 부동 소수점 레지스터 복원을 처리하기 위해 “eager” 모드 (보안 모드)를 기본값으로 사용하고 있습니다. AMD 프로세서는 영향을 받지 않습니다.
  • 이전 프로세서를 사용하는 경우 eagerfpu=on 매개 변수로 커널을 부팅하여 eager FPU restore 모드를 활성화하면 이러한 문제를 완화할 수 있습니다. 이 모드에서 현재 프로세스가 FPU 명령 호출 여부와 관계없이 모든 작업/컨텍스트를 전환할 때 마다 FPU 상태를 저장 및 복원합니다. 커널 부팅 시 이 매개 변수를 사용해도 성능에 영향을 미치지 않으며 취약점의 영향을 받지 않는 프로세서에서도 악영향을 미치지 않습니다.

RHEL 6 및 이전 버전은 본 CVE의 영향을 받으며 eagerfpu 매개 변수를 사용할 수 없습니다. Red Hat은 이러한 문제를 해결하기 위해 동작 변경에 대한 업데이트를 출시할 예정입니다.

Root Cause

FPU/SSE/AVX 상태 Lazy save/restore:

최신 프로세서는 시스템 성능을 향상시키기 위해 다양한 기술을 사용합니다. 이러한 기술 중 하나는 태스크 전환시에 특정 CPU 컨텍스트 상태를 저장 및 복원하는 것을 지연시키는 것입니다. 현대 프로세서에서는 과학, 엔지니어링 및 그래픽 응용 프로그램에서 고정밀 부동 소수점 연산을 처리하는데 부동 소수점 장치 (FPU: Floating Point Unit)를 일반적으로 사용합니다. FPU는 데이터 레지스터, 상태 레지스터, 제어 레지스터, opcode 레지스터에서 자체 컨텍스트 상태를 유지합니다.

태스크/컨텍스트 전환은 사용자 응용 프로그램이 커널 함수를 호출하거나 프로세스가 대기열의 다음 과정을 먼저 예약하려할 때 발생합니다. 작업 전환 시 프로세서는 현재 실행 컨텍스트 (다양한 레지스터, 명령 및 스택 포인터 등)를 저장하고 새 프로세스의 컨텍스트를 로드합니다. 이렇게 하면 모든 응용 프로그램이 FPU (Floating Point Unit)를 사용하지는 않기 때문에 FPU/SSE 컨텍스트 상태 복원을 지연시킬 수 있습니다. 새롭게 예약된 프로세스가 FP (Floating-Point) 명령을 사용하지 않으면 FPU 컨텍스트 상태를 저장/복원할 필요가 없으므로 실행 사이클을 절약하고 성능을 향상시킬 수 있습니다.

lazy restore 방식에서 작업 전환 중에 프로세스에 의해 실행되는 첫 번째 FP 명령은 “Device not Available (DNA)” 예외를 발생시킵니다. DNA 예외 처리기는 현재 FPU 컨텍스트를 이전 태스크의 상태 저장 영역에 저장하고 현재 프로세스의 새로운 FPU 컨텍스트를 로드합니다. 즉 FPU 상태를 로드하는 동작이 현재 태스크가 FP 명령을 호출할 때 까지 지연된다는 것이 "Lazy FPU restore"입니다.

최신 프로세서에는 하드웨어에서 FPU 복원을 보다 효율적으로 구현하는 프로세서 확장 (“XSAVEOPT”)이 포함되어 있어 DNA 예외에 의존하지 않고 lazy FPU의 성능 향상을 가져올 수 있습니다. 이러한 프로세서에서 Red Hat Enterprise Linux 7은 이미 eager FPU restore를 사용하고 있으므로 이번 취약점의 영향을 받지 않습니다. 실제로 FPU 레지스터는 블록 메모리 복사 및 문자열 연산을 사용하므로 이전 프로세서에서 lazy FPU restore가 성능 향상에 현저하게 도움이 되지 않습니다.

영향
새로 예약된 작업은 여기에 설명된 취약점을 사용하여 다른 작업의 부동 소수점 레지스터 상태를 추측할 수 있으며 이를 통해 기밀 정보가 유출될 수 있습니다.

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