A first look at RISC-V virtualization from an embedded systems perspective

This article describes the first public implementation and evaluation of the latest version of the RISC-V hypervisor extension (H-extension v0.6.1) specification in a Rocket chip core. To perform a meaningful evaluation for modern multi-core embedded and mixedcriticality systems, we have ported Bao, an open-source static partitioning hypervisor, to RISC-V. We have also extended the RISC-V platformlevel interrupt controller (PLIC) to enable direct guest interrupt injection with low and deterministic latency and we have enhanced the timer infrastructure to avoid trap and emulation overheads. Experiments were carried out in FireSim, a cycle-accurate, FPGA-accelerated simulator, and the system was also successfully deployed and tested in a Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU104. Our hardware implementation was opensourced and is currently in use by the RISC-V community towards the ratification of the H-extension specification.This work has been supported by FCT - undação para a Ciência e a Tecnologia within the R&D Units Project Scope: UIDB/00319/2020. This work has also been supported by FCT within the PhD Scholarship Project Scope: SFRH/BD/138660/2018

Análise de malware com suporte de hardware

Orientadores: Paulo Lício de Geus, André Ricardo Abed GrégioDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O mundo atual é impulsionado pelo uso de sistemas computacionais, estando estes pre- sentes em todos aspectos da vida cotidiana. Portanto, o correto funcionamento destes é essencial para se assegurar a manutenção das possibilidades trazidas pelos desenvolvi- mentos tecnológicos. Contudo, garantir o correto funcionamento destes não é uma tarefa fácil, dado que indivíduos mal-intencionados tentam constantemente subvertê-los visando benefíciar a si próprios ou a terceiros. Os tipos mais comuns de subversão são os ataques por códigos maliciosos (malware), capazes de dar a um atacante controle total sobre uma máquina. O combate à ameaça trazida por malware baseia-se na análise dos artefatos coletados de forma a permitir resposta aos incidentes ocorridos e o desenvolvimento de contramedidas futuras. No entanto, atacantes têm se especializado em burlar sistemas de análise e assim manter suas operações ativas. Para este propósito, faz-se uso de uma série de técnicas denominadas de "anti-análise", capazes de impedir a inspeção direta dos códigos maliciosos. Dentre essas técnicas, destaca-se a evasão do processo de análise, na qual são empregadas exemplares capazes de detectar a presença de um sistema de análise para então esconder seu comportamento malicioso. Exemplares evasivos têm sido cada vez mais utilizados em ataques e seu impacto sobre a segurança de sistemas é considerá- vel, dado que análises antes feitas de forma automática passaram a exigir a supervisão de analistas humanos em busca de sinais de evasão, aumentando assim o custo de se manter um sistema protegido. As formas mais comuns de detecção de um ambiente de análise se dão através da detecção de: (i) código injetado, usado pelo analista para inspecionar a aplicação; (ii) máquinas virtuais, usadas em ambientes de análise por questões de escala; (iii) efeitos colaterais de execução, geralmente causados por emuladores, também usados por analistas. Para lidar com malware evasivo, analistas tem se valido de técnicas ditas transparentes, isto é, que não requerem injeção de código nem causam efeitos colaterais de execução. Um modo de se obter transparência em um processo de análise é contar com suporte do hardware. Desta forma, este trabalho versa sobre a aplicação do suporte de hardware para fins de análise de ameaças evasivas. No decorrer deste texto, apresenta-se uma avaliação das tecnologias existentes de suporte de hardware, dentre as quais máqui- nas virtuais de hardware, suporte de BIOS e monitores de performance. A avaliação crítica de tais tecnologias oferece uma base de comparação entre diferentes casos de uso. Além disso, são enumeradas lacunas de desenvolvimento existentes atualmente. Mais que isso, uma destas lacunas é preenchida neste trabalho pela proposição da expansão do uso dos monitores de performance para fins de monitoração de malware. Mais especificamente, é proposto o uso do monitor BTS para fins de construção de um tracer e um debugger. O framework proposto e desenvolvido neste trabalho é capaz, ainda, de lidar com ataques do tipo ROP, um dos mais utilizados atualmente para exploração de vulnerabilidades. A avaliação da solução demonstra que não há a introdução de efeitos colaterais, o que per- mite análises de forma transparente. Beneficiando-se desta característica, demonstramos a análise de aplicações protegidas e a identificação de técnicas de evasãoAbstract: Today¿s world is driven by the usage of computer systems, which are present in all aspects of everyday life. Therefore, the correct working of these systems is essential to ensure the maintenance of the possibilities brought about by technological developments. However, ensuring the correct working of such systems is not an easy task, as many people attempt to subvert systems working for their own benefit. The most common kind of subversion against computer systems are malware attacks, which can make an attacker to gain com- plete machine control. The fight against this kind of threat is based on analysis procedures of the collected malicious artifacts, allowing the incident response and the development of future countermeasures. However, attackers have specialized in circumventing analysis systems and thus keeping their operations active. For this purpose, they employ a series of techniques called anti-analysis, able to prevent the inspection of their malicious codes. Among these techniques, I highlight the analysis procedure evasion, that is, the usage of samples able to detect the presence of an analysis solution and then hide their malicious behavior. Evasive examples have become popular, and their impact on systems security is considerable, since automatic analysis now requires human supervision in order to find evasion signs, which significantly raises the cost of maintaining a protected system. The most common ways for detecting an analysis environment are: i) Injected code detec- tion, since injection is used by analysts to inspect applications on their way; ii) Virtual machine detection, since they are used in analysis environments due to scalability issues; iii) Execution side effects detection, usually caused by emulators, also used by analysts. To handle evasive malware, analysts have relied on the so-called transparent techniques, that is, those which do not require code injection nor cause execution side effects. A way to achieve transparency in an analysis process is to rely on hardware support. In this way, this work covers the application of the hardware support for the evasive threats analysis purpose. In the course of this text, I present an assessment of existing hardware support technologies, including hardware virtual machines, BIOS support, performance monitors and PCI cards. My critical evaluation of such technologies provides basis for comparing different usage cases. In addition, I pinpoint development gaps that currently exists. More than that, I fill one of these gaps by proposing to expand the usage of performance monitors for malware monitoring purposes. More specifically, I propose the usage of the BTS monitor for the purpose of developing a tracer and a debugger. The proposed framework is also able of dealing with ROP attacks, one of the most common used technique for remote vulnerability exploitation. The framework evaluation shows no side-effect is introduced, thus allowing transparent analysis. Making use of this capability, I demonstrate how protected applications can be inspected and how evasion techniques can be identifiedMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da ComputaçãoCAPE

The Prosper run-time monitor: design and formal verification

Un runtime monitor è uno strumento che può essere usato per garantire una proprietà di sicurezza su una risorsa di sistema. Un comune approccio consiste in avere il runtime monitor come un modulo di sicurezza del kernel del sistema operativo. Questo approccio soffre di alcune problematiche che possono compromettere l'integrità del modulo di sicurezza. In un ambiente virtualizzato, un approccio alternativo è quello di sfruttare la proprietà di isolamento per garantire la protezione del modulo di sicurezza stesso. In questa tesi viene presentato un runtime monitor che si appoggia su Prosper hypervisor, un virtual machine monitor per embedded systems formalmente verificato. Il runtime monitor presentato è in grado di garantire delle proprietà di sicurezza tramite il monitoraggio delle hypercalls fornite dall'hypervisor al sistema operativo. Adottando un metodologia formale, viene discusso quale tipo di proprietà è possibile garantire con il runtime monitor di Prosper e viene identificata una proprietà di sicurezza che permette di proteggere il sistema operativo da attacchi di tipo code-injection. Questo è possibile grazie ad un meccanismo di validazione delle hypercalls che viene formalmente identificato. Il lavoro di tesi viene concluso presentando una verifica formale del meccanismo di validazione, dimostrando che la proprietà di sicurezza è valida su tutti gli stati raggiungibili dal sistema

Um framework para a avaliação de segurança de hardware

Orientador: Ricardo DahabDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: O hardware de sistemas computacionais possui uma função crítica na segurança de sistemas operacionais e aplicativos. Além de prover funcionalidades-padrão, tal como o nível de privilégio de execução, o hardware também pode oferecer suporte a criptografia, boot seguro, execução segura, e outros. Com o fim de garantir que essas funcionalidades de segurança irão operar corretamente quando juntas dentro de um sistema, e de que o sistema é seguro como um todo, é necessário avaliar a segurança da arquitetura de todo sistema, durante o ciclo de desenvolvimento do hardware. Neste trabalho, iniciamos pela pesquisa dos diferentes tipos existentes de vulnerabilidades de hardware, e propomos uma taxonomia para classificá-los. Nossa taxonomia é capaz de classificar as vulnerabilidades de acordo com o ponto no qual elas foram inseridas, dentro do ciclo de desenvolvimento. Ela também é capaz de separar as vulnerabilidades de hardware daquelas de software que apenas se aproveitam de funcionalidades-padrão do hardware. Focando em um tipo específico de vulnerabilidade - aquelas relacionadas à arquitetura - apresentamos um método para a avaliação de sistemas de hardware utilizando a metodologia de Assurance Cases. Essa metodologia tem sido usada com sucesso para a análise de segurança física e, tanto quanto saibamos, não há notícias de seu uso para a análise de segurança de hardware. Utilizando esse método, pudemos identificar corretamente as vulnerabilidades de sistemas reais. Por fim, apresentamos uma prova de conceito de uma ferramenta para guiar e automatizar parte do processo de análise que foi proposto. A partir de uma descrição padronizada de uma arquitetura de hardware, a ferramenta aplica uma série de regras de um sistema especialista e gera um relatório de Assurance Case com as possíveis vulnerabilidades do sistema-alvo. Aplicamos a ferramenta aos sistemas estudados e pudemos identificar com sucesso as vulnerabilidades conhecidas, assim como outras possíveis vulnerabilidadesAbstract: The hardware of computer systems plays a critical role in the security of operating systems and applications. Besides providing standard features such as execution privilege levels, it may also offer support for encryption, secure execution, secure boot, and others. In order to guarantee that these security features work correctly when inside a system, and that the system is secure as a whole, it is necessary to evaluate the security of the architecture during the hardware development life-cycle. In this work, we start by exploring the different types of existing hardware vulnerabilities and propose a taxonomy for classifying them. Our taxonomy is able to classify vulnerabilities according to when they were created during the development life-cycle, as well as separating real hardware vulnerabilities from software vulnerabilities that leverage standard hardware features. Focusing on a specific type of vulnerability - the architecture-related ones, we present a method for evaluating hardware systems using the Assurance Case methodology. This methodology has been used successfully for safety analysis, and to our best knowledge there are no reports of its use for hardware security analysis. Using this method, we were able to correctly identify the vulnerabilities of real-world systems. Lastly, we present the proof-of-concept of a tool for guiding and automating part of the proposed analysis methodology. Starting from a standardized hardware architecture description, the tool applies a set of expert system rules, and generates an Assurance Case report that contains the possible security vulnerabilities of a system. We were able to apply the tool to the studied systems, and correctly identify their known vulnerabilities, as well as other possible vulnerabilitiesMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computaçã

TrustShadow: Secure Execution of Unmodified Applications with ARM TrustZone

The rapid evolution of Internet-of-Things (IoT) technologies has led to an emerging need to make it smarter. A variety of applications now run simultaneously on an ARM-based processor. For example, devices on the edge of the Internet are provided with higher horsepower to be entrusted with storing, processing and analyzing data collected from IoT devices. This significantly improves efficiency and reduces the amount of data that needs to be transported to the cloud for data processing, analysis and storage. However, commodity OSes are prone to compromise. Once they are exploited, attackers can access the data on these devices. Since the data stored and processed on the devices can be sensitive, left untackled, this is particularly disconcerting. In this paper, we propose a new system, TrustShadow that shields legacy applications from untrusted OSes. TrustShadow takes advantage of ARM TrustZone technology and partitions resources into the secure and normal worlds. In the secure world, TrustShadow constructs a trusted execution environment for security-critical applications. This trusted environment is maintained by a lightweight runtime system that coordinates the communication between applications and the ordinary OS running in the normal world. The runtime system does not provide system services itself. Rather, it forwards requests for system services to the ordinary OS, and verifies the correctness of the responses. To demonstrate the efficiency of this design, we prototyped TrustShadow on a real chip board with ARM TrustZone support, and evaluated its performance using both microbenchmarks and real-world applications. We showed TrustShadow introduces only negligible overhead to real-world applications.Comment: MobiSys 201

Extensible Performance-Aware Runtime Integrity Measurement

Today\u27s interconnected world consists of a broad set of online activities including banking, shopping, managing health records, and social media while relying heavily on servers to manage extensive sets of data. However, stealthy rootkit attacks on this infrastructure have placed these servers at risk. Security researchers have proposed using an existing x86 CPU mode called System Management Mode (SMM) to search for rootkits from a hardware-protected, isolated, and privileged location. SMM has broad visibility into operating system resources including memory regions and CPU registers. However, the use of SMM for runtime integrity measurement mechanisms (SMM-RIMMs) would significantly expand the amount of CPU time spent away from operating system and hypervisor (host software) control, resulting in potentially serious system impacts. To be a candidate for production use, SMM RIMMs would need to be resilient, performant and extensible. We developed the EPA-RIMM architecture guided by the principles of extensibility, performance awareness, and effectiveness. EPA-RIMM incorporates a security check description mechanism that allows dynamic changes to the set of resources to be monitored. It minimizes system performance impacts by decomposing security checks into shorter tasks that can be independently scheduled over time. We present a performance methodology for SMM to quantify system impacts, as well as a simulator that allows for the evaluation of different methods of scheduling security inspections. Our SMM-based EPA-RIMM prototype leverages insights from the performance methodology to detect host software rootkits at reduced system impacts. EPA-RIMM demonstrates that SMM-based rootkit detection can be made performance-efficient and effective, providing a new tool for defense