Ein gemeinsames Forschungsteam aus Wissenschaftlern der belgischen KU Leuven und des EURECOM-Instituts hat ein detailliertes technisches Forschungspapier veröffentlicht, in dem eine neue Sicherheitsinnovation namens „SecDMP“ vorgestellt wird. Hierbei handelt es sich um ein Hardwaresystem, das speziell zur Behebung von Sicherheitslücken entwickelt wurde, die mit speicherabhängigen Prefetch-Einheiten (Data Memory-Dependent Prefetchers oder kurz DMPs) in Computerprozessoren zusammenhängen.
Prefetch-Einheiten stützen sich darauf, Daten zu erraten, die der Prozessor in Zukunft benötigen wird, und diese im Voraus abzurufen, um die Leistungsgeschwindigkeit zu verbessern. Diese Art struktureller Optimierung öffnet jedoch Tür und Tor für Schwachstellen bei der Leckage sensibler Informationen über Seitenkanäle (Side-Channels). Die Forscher haben durch die Implementierung der ersten Open-Source-DMP-Einheiten auf einem Prozessor mit RISC-V-Architektur gezeigt, dass die aktuellen Verteidigungsmaßnahmen, die versuchen, die Leistungseffizienz aufrechtzuerhalten, ganze Klassen dieser Sicherheitslecks nicht schützen können.
Was ändert das SecDMP-System in der Praxis?
Das neue System bietet eine präzise strukturelle Klassifizierung von Prefetch-Lecks und kategorisiert bestehende sowie neue Angriffe mit äußerster Genauigkeit. Die „SecDMP“-Lösung basiert auf der Grundidee, vertrauliche Daten im Speicher klar zu kennzeichnen. Dies stellt sicher, dass Prefetch-Einheiten diese Geheimnisse niemals innerhalb der Mikroarchitektur des Prozessors kodieren oder verarbeiten, während gleichzeitig die Leistung öffentlicher Daten ohne negative Auswirkungen voll und ganz erhalten bleibt.
Sicherheit und Wiederherstellung geschützter Standards
Die Forscher haben mathematisch und technisch nachgewiesen, dass das SecDMP-System im Vergleich zu Basismodellen ohne Prefetch-Einheiten keine zusätzlichen Lecks verursacht. Noch wichtiger ist, dass die Integration dieser Lösung mit bestehenden Abwehrmechanismen gegen spekulative Ausführung (Speculative Execution) die vollständige Sicherheit der Mikroarchitektur für Code mit fester Laufzeit (Constant-Time Code) wiederherstellt und dabei bisherige Sicherheitsbeschränkungen überwindet.
Ergebnisse der experimentellen Evaluierung
Die vom Forschungsteam durchgeführten praktischen und implementierungsbezogenen Tests bestätigten, dass die SecDMP-Technologie erfolgreich alle Formen von Lecks im Zusammenhang mit Prefetch-Einheiten verhindert und dabei nur minimalste Kosten bei den Hardwareressourcen sowie den Leistungsauswirkungen verursacht. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung sicherer Prozessoren, die zukünftig gegen Seitenkanalangriffe resistent sind.