Mitigating Branch-Shadowing Attacks on Intel SGX using Control Flow Randomization

Intel Software Guard Extensions (SGX) is a promising hardware-based technology for protecting sensitive computations from potentially compromised system software. However, recent research has shown that SGX is vulnerable to branch-shadowing -- a side channel attack that leaks the fine-grained (branch granularity) control flow of an enclave (SGX protected code), potentially revealing sensitive data to the attacker. The previously-proposed defense mechanism, called Zigzagger, attempted to hide the control flow, but has been shown to be ineffective if the attacker can single-step through the enclave using the recent SGX-Step framework. Taking into account these stronger attacker capabilities, we propose a new defense against branch-shadowing, based on control flow randomization. Our scheme is inspired by Zigzagger, but provides quantifiable security guarantees with respect to a tunable security parameter. Specifically, we eliminate conditional branches and hide the targets of unconditional branches using a combination of compile-time modifications and run-time code randomization. We evaluated the performance of our approach by measuring the run-time overhead of ten benchmark programs of SGX-Nbench in SGX environment

Security and trust in cloud computing and IoT through applying obfuscation, diversification, and trusted computing technologies

Cloud computing and Internet of Things (IoT) are very widely spread and commonly used technologies nowadays. The advanced services offered by cloud computing have made it a highly demanded technology. Enterprises and businesses are more and more relying on the cloud to deliver services to their customers. The prevalent use of cloud means that more data is stored outside the organization’s premises, which raises concerns about the security and privacy of the stored and processed data. This highlights the significance of effective security practices to secure the cloud infrastructure. The number of IoT devices is growing rapidly and the technology is being employed in a wide range of sectors including smart healthcare, industry automation, and smart environments. These devices collect and exchange a great deal of information, some of which may contain critical and personal data of the users of the device. Hence, it is highly significant to protect the collected and shared data over the network; notwithstanding, the studies signify that attacks on these devices are increasing, while a high percentage of IoT devices lack proper security measures to protect the devices, the data, and the privacy of the users. In this dissertation, we study the security of cloud computing and IoT and propose software-based security approaches supported by the hardware-based technologies to provide robust measures for enhancing the security of these environments. To achieve this goal, we use obfuscation and diversification as the potential software security techniques. Code obfuscation protects the software from malicious reverse engineering and diversification mitigates the risk of large-scale exploits. We study trusted computing and Trusted Execution Environments (TEE) as the hardware-based security solutions. Trusted Platform Module (TPM) provides security and trust through a hardware root of trust, and assures the integrity of a platform. We also study Intel SGX which is a TEE solution that guarantees the integrity and confidentiality of the code and data loaded onto its protected container, enclave. More precisely, through obfuscation and diversification of the operating systems and APIs of the IoT devices, we secure them at the application level, and by obfuscation and diversification of the communication protocols, we protect the communication of data between them at the network level. For securing the cloud computing, we employ obfuscation and diversification techniques for securing the cloud computing software at the client-side. For an enhanced level of security, we employ hardware-based security solutions, TPM and SGX. These solutions, in addition to security, ensure layered trust in various layers from hardware to the application. As the result of this PhD research, this dissertation addresses a number of security risks targeting IoT and cloud computing through the delivered publications and presents a brief outlook on the future research directions.Pilvilaskenta ja esineiden internet ovat nykyään hyvin tavallisia ja laajasti sovellettuja tekniikkoja. Pilvilaskennan pitkälle kehittyneet palvelut ovat tehneet siitä hyvin kysytyn teknologian. Yritykset enenevässä määrin nojaavat pilviteknologiaan toteuttaessaan palveluita asiakkailleen. Vallitsevassa pilviteknologian soveltamistilanteessa yritykset ulkoistavat tietojensa käsittelyä yrityksen ulkopuolelle, minkä voidaan nähdä nostavan esiin huolia taltioitavan ja käsiteltävän tiedon turvallisuudesta ja yksityisyydestä. Tämä korostaa tehokkaiden turvallisuusratkaisujen merkitystä osana pilvi-infrastruktuurin turvaamista. Esineiden internet -laitteiden lukumäärä on nopeasti kasvanut. Teknologiana sitä sovelletaan laajasti monilla sektoreilla, kuten älykkäässä terveydenhuollossa, teollisuusautomaatiossa ja älytiloissa. Sellaiset laitteet keräävät ja välittävät suuria määriä informaatiota, joka voi sisältää laitteiden käyttäjien kannalta kriittistä ja yksityistä tietoa. Tästä syystä johtuen on erittäin merkityksellistä suojata verkon yli kerättävää ja jaettavaa tietoa. Monet tutkimukset osoittavat esineiden internet -laitteisiin kohdistuvien tietoturvahyökkäysten määrän olevan nousussa, ja samaan aikaan suuri osuus näistä laitteista ei omaa kunnollisia teknisiä ominaisuuksia itse laitteiden tai niiden käyttäjien yksityisen tiedon suojaamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan pilvilaskennan sekä esineiden internetin tietoturvaa ja esitetään ohjelmistopohjaisia tietoturvalähestymistapoja turvautumalla osittain laitteistopohjaisiin teknologioihin. Esitetyt lähestymistavat tarjoavat vankkoja keinoja tietoturvallisuuden kohentamiseksi näissä konteksteissa. Tämän saavuttamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatiota ja diversifiointia potentiaalisiana ohjelmistopohjaisina tietoturvatekniikkoina. Suoritettavan koodin obfuskointi suojaa pahantahtoiselta ohjelmiston takaisinmallinnukselta ja diversifiointi torjuu tietoturva-aukkojen laaja-alaisen hyödyntämisen riskiä. Väitöskirjatyössä tutkitaan luotettua laskentaa ja luotettavan laskennan suoritusalustoja laitteistopohjaisina tietoturvaratkaisuina. TPM (Trusted Platform Module) tarjoaa turvallisuutta ja luottamuksellisuutta rakentuen laitteistopohjaiseen luottamukseen. Pyrkimyksenä on taata suoritusalustan eheys. Työssä tutkitaan myös Intel SGX:ää yhtenä luotettavan suorituksen suoritusalustana, joka takaa suoritettavan koodin ja datan eheyden sekä luottamuksellisuuden pohjautuen suojatun säiliön, saarekkeen, tekniseen toteutukseen. Tarkemmin ilmaistuna työssä turvataan käyttöjärjestelmä- ja sovellusrajapintatasojen obfuskaation ja diversifioinnin kautta esineiden internet -laitteiden ohjelmistokerrosta. Soveltamalla samoja tekniikoita protokollakerrokseen, työssä suojataan laitteiden välistä tiedonvaihtoa verkkotasolla. Pilvilaskennan turvaamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatio ja diversifiointitekniikoita asiakaspuolen ohjelmistoratkaisuihin. Vankemman tietoturvallisuuden saavuttamiseksi työssä hyödynnetään laitteistopohjaisia TPM- ja SGX-ratkaisuja. Tietoturvallisuuden lisäksi nämä ratkaisut tarjoavat monikerroksisen luottamuksen rakentuen laitteistotasolta ohjelmistokerrokseen asti. Tämän väitöskirjatutkimustyön tuloksena, osajulkaisuiden kautta, vastataan moniin esineiden internet -laitteisiin ja pilvilaskentaan kohdistuviin tietoturvauhkiin. Työssä esitetään myös näkemyksiä jatkotutkimusaiheista

DR.SGX: Hardening SGX Enclaves against Cache Attacks with Data Location Randomization

Recent research has demonstrated that Intel's SGX is vulnerable to various software-based side-channel attacks. In particular, attacks that monitor CPU caches shared between the victim enclave and untrusted software enable accurate leakage of secret enclave data. Known defenses assume developer assistance, require hardware changes, impose high overhead, or prevent only some of the known attacks. In this paper we propose data location randomization as a novel defensive approach to address the threat of side-channel attacks. Our main goal is to break the link between the cache observations by the privileged adversary and the actual data accesses by the victim. We design and implement a compiler-based tool called DR.SGX that instruments enclave code such that data locations are permuted at the granularity of cache lines. We realize the permutation with the CPU's cryptographic hardware-acceleration units providing secure randomization. To prevent correlation of repeated memory accesses we continuously re-randomize all enclave data during execution. Our solution effectively protects many (but not all) enclaves from cache attacks and provides a complementary enclave hardening technique that is especially useful against unpredictable information leakage

Reviving Meltdown 3a

Since the initial discovery of Meltdown and Spectre in 2017, different variants of these attacks have been discovered. One often overlooked variant is Meltdown 3a, also known as Meltdown-CPL-REG. Even though Meltdown-CPL-REG was initially discovered in 2018, the available information regarding the vulnerability is still sparse. In this paper, we analyze Meltdown-CPL-REG on 19 different CPUs from different vendors using an automated tool. We observe that the impact is more diverse than documented and differs from CPU to CPU. Surprisingly, while the newest Intel CPUs do not seem affected by Meltdown-CPL-REG, the newest available AMD CPUs (Zen3+) are still affected by the vulnerability. Furthermore, given our attack primitive CounterLeak, we show that besides up-to-date patches, Meltdown-CPL-REG can still be exploited as we reenable performance-counter-based attacks on cryptographic algorithms, break KASLR, and mount Spectre attacks. Although Meltdown-CPL-REG is not as powerful as other transient-execution attacks, its attack surface should not be underestimated.Comment: published at ESORICS 202