Security in Computer Architecture Am Beispiel der AEGIS Architektur

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1 Sandro Schwarz Seminar: Spezielle Probleme von Echtzeitsystemen Security in Computer Architecture Am Beispiel der AEGIS Architektur

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung und Motivation 2. Bedrohungen und Angriffe 3. AEGIS: Architecture for Tamper-Evident and Tamper-Resistant Processing 3.1. AEGIS Ein erster Überblick 3.2. Tamper-Evident-Processing 3.3. Private and Tamper-Resistant Processing 4. Performance Annahmen

3 1. Einführung und Motivation Da Computer heutzutage normalerweise in irgendeiner Form mit anderen Rechnern vernetzt sind, wird es immer schwieriger ein System zu schützen. Auf der anderen Seite bieten Anwendungen, die einen gewissen Grad von Schutz verlangen, oftmals noch viel zu viele Angriffspunkte, die es nicht autorisierten Prozessen und Personen erlauben an Informationen zu kommen, zu welchen diese eigentlich keinen Zugang haben sollten. Deshalb wird vielerorts nach Möglichkeiten gesucht den Entwicklern eine Umgebung zu bieten, mit welcher sie den Anwendungen bereits auf Hardwareebene Schutz geben können. Ein solcher Vorschlag für eine sichere Architektur soll in dieser Arbeit näher betrachtet werden. 2. Bedrohungen und Angriffe In der Informatik unterscheidet man hauptsächlich 3 Klassen von so genannter Schadsoftware (engl. maleware), die eine beabsichtigte Bedrohung für die Sicherheit eines Computersystems darstellen: Viren, Trojanische Pferde und Würmer. Allen Dreien ist eine Eigenschaft gemeinsam, nämlich dass sie geschrieben werden, um Systeme auszuspionieren bzw. um ihnen in irgendeiner Form zu schaden. Ein Virus ist Programmcode, der nicht ohne ein Wirtsprogramm ausgeführt werden kann und somit ihren Namensgebern aus der Natur gleichen. Bei der Ausführung kopiert sich der Virus in bestimmte oder unbestimmte Speicherbereiche, in denen er noch nicht enthalten ist. Somit besitzen sie also die Fähigkeit, sich selbst zu vervielfältigen, so dass die Chancen steigen, dass ihr Schadensteil auch zur Ausführung kommt. Heutzutage treten Viren oft verborgen in Trojanischen Pferden auf, um sich so durch etweilige Schutzvorrichtungen zu kommen. Trojanische Pferde sind Programme, die vorgeben eine mehr oder weniger nützliche Funktion zu erfüllen, jedoch enthalten sie auch einen Schadensteil. Würmer stechen in dieser Gruppe dadurch hervor, dass sie sich unter ihrem eigenen Namen durch nahe gelegene Systeme bewegen, indem sie sich in diese hineinkopieren. Hierbei sind sie autonom und können sich selbst ausführen. Einige Angriffe, die in den gerade beschriebenen Malewares implementiert sind, sollen im Folgenden kurz näher beleuchtet werden. Browsing:

4 gespeicherte Daten werden komplett nach bestimmten Kriterien durchsucht, um so an geheime Informationen zu kommen nicht nur ausspionieren ist so möglich, man kann z.b. auch mit gefundenen Passworttabellen weiter in ein System eindringen Spoofing: ein Prozess gibt gegenüber einem anderen vor besondere Zugangsrechten zu haben, um so von diesem Informationen zu erhalten, zu denen er sonst keinen Zugriff hätte Eavesdropping: bezieht sich auf das Abhören von Kommunikationskanälen Exhaustive Attacks: Passwörter werden ausprobiert Spezialisierung dictionary attack 3. AEGIS: Architecture for Tamper-Evident and Tamper-Resistant Processing 3.1. AEGIS Ein erster Überblick AEGIS ist eine Rechnerarchitektur, die am MIT Laboratory for Computer Science in Cambridge entwickelt und erstmals 2003 in dem Artikel AEGIS: Architecture for Tamper- Evident and Tamper-Resistant Processing vorgestellt wurde.

5 Abb.1. AEGIS Secure Computing Model Diese Architektur geht von einem vertrauenswürdigen Prozessor aus, wobei dieser Prozessor und unter Umständen ein zusätzlicher Security Kernel eines beliebigen Betriebssystems die so genannte Trusted Computing Base (TCB) bilden. Da man von außen nicht an innerhalb des Prozessors gespeicherte Informationen gelangt, wird davon ausgegangen, dass man diesen Daten vertrauen kann. Im Gegensatz dazu wird allen Informationen aus externen Speichermedien misstraut, da diese verändert worden sein können. Deshalb wird für diese Daten eine Integritätsprüfung eingeführt, welche die Daten dahingehend checked, ob sie noch einem Referenzwert entsprechen, der bei der letzten Bearbeitung selbiger Datensätze gespeichert wurde. Bei diesem Referenzwert könnte es sich zum Beispiel um einen Programmhash handeln, die Implementation der Architektur ist hier jedoch nicht festgelegt, auch wenn in den Forschungspapern erst einmal von Hashs ausgegangen wird. AEGIS bietet die Möglichkeit, Probleme zu lösen, ohne die dabei verarbeiteten Daten oder den verwendeten Algorithmus an Dritte preiszugeben. Ob man sich für die Version mit oder ohne Security Kernel entscheidet, hängt einzig davon ab, ob man bereit ist größere Veränderungen am Prozessor vorzunehmen, denn wenn man nicht mit dem vertrauenswürdigen Befehlssatz eines Kernels arbeitet, müssen diese Funktionalitäten im Prozessor bereits integriert sein. Dies führt dann natürlich zu Mehrkosten bei der Produktion. AEGIS bietet 3 Zustände an, in denen Prozesse bzw. Programme bearbeitet werden können. Zum einen kann jeder Prozess natürlich ohne jegliche Hinsicht auf seine Sicherheit bearbeitet werden. Wenn man jedoch einen gewissen Grad von Security für einen Prozess braucht, so kann der Programmierer seinen Prozess entweder im tamper-evident- oder im private-tamperresistant-modus laufen lassen. Tamper-evident bedeutet, dass jegliche Manipulation der Daten erkannt wird. Somit ist die Integrität der Programmausführung garantiert, jedoch kann in diesem Modus nicht gewährleistet werden, dass Daten und Algorithmus privat bzw. geheim bleiben. Für diesen Zweck wurde der private-tamper-resistant-modus implementiert. 3.2.Tamper-Evident-Processing Die tamper-evidente Ausführung einer Anwendung stellt wie im letzten Abschnitt beschrieben sicher, dass man eine Datenmanipulation erkennt, somit wird nur sicherer Code ausgeführt, vorausgesetzt natürlich, dass die Anwendung nicht schon von Anfang an einen

6 Schadsoftwareanteil besitzt. Da die Daten unverschlüsselt in nicht vertrauenswürdigem Speicher liegen, ist Tamper-Evident-Processing aber nicht in der Lage vor Spionage schützen. Um Programmierer in die Lage zu versetzen ihre Software mit der AEGIS-Architektur tamper-evident zu verarbeiten, werden ihnen drei Befehle angeboten, die den Prozessor dementsprechend ansteuern. Diese drei Kommandos heißen enter_aegis, exit_aegis und sign_msg. Mit dem Befehl enter_aegis startet man den aufrufenden Prozess im AEGIS-Modus. Als erstes erstellt das System den Program Hash und speichert diesen in einem geschützten Speicherbereich. Mittels des Hash kann nun die TCB Programmcode und Daten überprüfen, diese Überprüfung, die bei jedem Start eines solchen Prozesses durchgeführt wird, nennt sich Memory Integrity Verification. Sollte der berechnete Hashwert von dem Wert der letzten authentifizierten Berechnung abweichen, so weiß das System das Daten und/oder Code manipuliert wurden, und kann daraufhin eine Ausnahmebehandlung starten. Und um den Wert des Program Hashs auch konsistent zu halten, darf immer nur ein Programm bzw. ein Prozeß eine Speicheradresse verändern. Der Befehl exit_aegis ist dazu da die Ausführung im AEGIS-Modus zu beenden. Dazu wird wiederum der Programmhash berechnet und für die nächste Abfrage gespeichert. Während der Ausführung eines Programms in verteilten Systemen ist es sinnvoll, auch die empfangenen Daten von anderen Prozessoren zu überprüfen und auch selbst zertifizierte Nachrichten zu versenden. Hierfür bietet die AEGIS-Architektur den Befehl sign_msg an. Mit Hilfe dieser Anweisung lassen sich Nachrichten verschlüsseln und authentifizieren. Das zu versendende Nachrichtenpaket wird zusammen mit dem Program Hash und einem Hashwert des Security Kernels, falls vorhanden, mittels des secret key des Prozessors verschlüsselt und dann abgeschickt: Processor Secret Key{H(Program), H(Security Kernel), Msg.} Somit kann der empfangende Prozeß genau erfahren von wem die gesandte Nachricht kommt und ob sie in irgendeiner Weise manipuliert wurde. 3.3.Private and Tamper-Resistant Processing (PTR) Der PTR-Modus bietet eine Erweiterung zum Tamper-Evident-Modus, hier kann auch die Geheimhaltung von Daten und Code gewährleistet werden. Um dies sicherzustellen wird besondere Sorgfalt auf die Privatheit von Registern, on-chip caches und off-chip memory gelegt.

7 Um in den PTR-Modus zu gelangen wird von einem in TE-Modus laufenden Prozeß der Befehl set_aegis_mod aufgerufen. Mit dem selben Befehl kann man auch den PTR-Modus beenden. Set_aegis_mod, einmal aufgerufen, verschlüsselt Daten und Code im off-chip memory mittels eines Static Key des Prozessors, dieser wird wiederum am Ende der Ausführung zusammen mit dem Programm Hash[ und dem Hash des Security Kernels] unter Zuhilfenahme des Puplic Keys verschlüsselt: PublicKey {H(Program),static key [, H(Security Kernel)]}. Daten und Code können dann nur noch von einem vertrauenswürdigen Prozessor für ein bestimmtes Programm entschlüsselt werden. Daten in den Registern müssen nur bei Kontextwechseln geschützt werden, so dass keine anderen Prozesse diese Auslesen können. Hierfür werden die Daten vom TCB in einem sicheren Speicherbereich gespeichert und dann werden die Register gelöscht. Um die On-chip caches zu schützen wurden so genannte secure process IDs (SPID) eingeführt. Diese werden den Cacheblöcken zugewiesen, so dass ein Prozeß nur Daten auslesen darf, wenn seine SPID mit der des angesprochenen Cacheblocks übereinstimmt. Zusätzlich wäre an dieser Stelle auch noch zu erwähnen, dass die Daten im Cache mit einem dynamischen Schlüssel des Prozessors verschlüsselt abgespeichert werden. Falls das System über keinen Security Kernel verfügt muss in den Prozessor auch noch ein Secure Context Manager eingebaut werden, welcher dann mit Hilfe einer Tabelle die verschieden Prozesse überwacht. Diese Tabelle wird von enter_aegis angelegt und von exit_aegis gelöscht. Sie kann aber auch vom Betriebssystem gelöscht werden, für den Fall das es nötig sein sollte einen Prozeß abzuschießen, dies bedeutet aber kein Sicherheitsrisiko, da das Betriebssystem nicht die Möglichkeit hat die Tabelle auszulesen. In dieser Tabelle werden alle für einen Prozeß relevanten Daten abgespeichert: secure process ID (SPID) program hash (H(Prog)) architectural registers (Regs) der Hashwert für die memory integrity verification (Data) ein Bit, das angibt ob der Prozeß im PTR-Modus läuft oder nicht keys für die Verschlüsselung (Kstatic, Kdynamic) Und in Tabelle 1 sind die Unterschiede zwischen einem System mit und ohne einem vertrauenswürdigen Betriebssystem zu sehen.

8 Tabelle 1 4. Performance Annahmen Da die AEGIS Architektur auch in Real Time Umgebungen zum Einsatz kommen soll, muß man sich auch Gedanken um den Overhead der einzelnen Befehle machen. Enter_aegis und sgn_msg zum Beispiel sind zwar vergleichsweise aufwendig, werden dafür aber nur selten benutzt und können vernachlässigt werden. Öfter im Gebrauch hingegen sind der Registerschutz bei Kontextwechseln und das Prüfverfahren für den on-chip cache. In diesen beiden Fällen ist aber der Overhead eher gering, und somit sind auch diese Situationen zu vernachlässigen. Was also bleibt sind die Off-chip memory Integritätsprüfung und die Datenverschlüsselung im PTR-Modus, und diese beiden Vorgänge bestimmen den Overall- Overhead. Das Team vom MIT ist aber zu dem Schluss gekommen, dass es sich in mehreren Anwendungen ihrer Architektur lohnen würde diesen Mehraufwand in Kauf zu nehmen. Literatur: Eckert, Cl., IT-Sicherheit. Konzepte Verfahren Protokolle, München. Suh, G. Edward et al., AEGIS: Architecture for Tamper-Evident and Tamper- Resistant Processing, Cambridge.