Row hammer exploit in cloud environment

The rapid increase in the adoption rate of cloud computing, across numerous businesses, has resulted in extensive use of virtualization tools. Virtualization technology utilizes a software layer (hypervisor) to enable sharing of hardware between multiple tenants that are co-located on the same multi-processor system. This enables the consolidation of servers and user machines into a very small set of physical systems. Physical machines are replaced with virtual machines (VM), running on the same physical system, to achieve better utilization of the hardware. Consequently, cloud users work on and store their data in the same physical machine. A crucial part of a cloud setup is preventing information leakage between tenants. While the hypervisor enforces software isolation, shared CPU, cache or memory, has the potential to leak sensitive information. This article aims to provide an overview of the security concerns in virtualization technology, particularly in relation to row hammer bug that affects the DRAM chips. As DRAM process technology scales down in dimension, it becomes increasingly difficult to prevent sub-micron electrical interaction between DRAM cells. This leads to unintentional effects where, activating the same row or same set of rows in DRAM (row hammer) corrupts data in nearby rows. If row hammer is coupled with some resource sharing features that can be enabled in hypervisors, then there is a high likelihood of corrupting a piece of data that belongs to another VM. This article is a survey of some prior works in cloud-based row hammer attacks and sheds some light on the exploit mechanics

KASLR-MT: kernel address space layout randomization for multi-tenant cloud systems

[EN] Cloud computing has completely changed our lives. This technology dramatically impacted on how we play, work and live. It has been widely adopted in many sectors mainly because it reduces the cost of performing tasks in a flexible, scalable and reliable way. To provide a secure cloud computing architecture, the highest possible level of protection must be applied. Unfortunately, the cloud computing paradigm introduces new scenarios where security protection techniques are weakened or disabled to obtain a better performance and resources exploitation. Kernel ASLR (KASLR) is a widely adopted protection technique present in all modern operating systems. KASLR is a very effective technique that thwarts unknown attacks but unfortunately its randomness have a significant impact on memory deduplication savings. Both techniques are very desired by the industry, the first one because of the high level of security that it provides and the latter to obtain better performance and resources exploitation. In this paper, we propose KASLR-MT, a new Linux kernel randomization approach compatible with memory deduplication. We identify why the most widely and effective technique used to mitigate attacks at kernel level, KASLR, fails to provide protection and shareability at the same time. We analyze the current Linux kernel randomization and how it affects to the shared memory of each kernel region. Then, based on the analysis, we propose KASLR-MT, the first effective and practical Kernel ASLR memory protection that maximizes the memory deduplication savings rate while providing a strong security. Our tests reveal that KASLR-MT is not intrusive, very scalable and provides strong protection without sacrificing the shareability. (C) 2019 Elsevier Inc. All rights reserved.Vañó-García, F.; Marco-Gisbert, H. (2020). KASLR-MT: kernel address space layout randomization for multi-tenant cloud systems. Journal of Parallel and Distributed Computing. 137:77-90. https://doi.org/10.1016/j.jpdc.2019.11.008S779013

Virtual Machine Lifecycle Management in Grid and Cloud Computing

Virtualisierungstechnologie ist die Grundlage für zwei wichtige Konzepte: Virtualized Grid Computing und Cloud Computing. Ersteres ist eine Erweiterung des klassischen Grid Computing. Es hat zum Ziel, die Anforderungen kommerzieller Nutzer des Grid hinsichtlich der Isolation von gleichzeitig ausgeführten Batch-Jobs und der Sicherheit der zugehörigen Daten zu erfüllen. Dabei werden Anwendungen in virtuellen Maschinen ausgeführt, um sie voneinander zu isolieren und die von ihnen verarbeiteten Daten vor anderen Nutzern zu schützen. Darüber hinaus löst Virtualized Grid Computing das Problem der Softwarebereitstellung, eines der bestehenden Probleme des klassischen Grid Computing. Cloud Computing ist ein weiteres Konzept zur Verwendung von entfernten Ressourcen. Der Fokus dieser Dissertation bezüglich Cloud Computing liegt auf dem “Infrastructure as a Service Modell”, das Ideen des (Virtualized) Grid Computing mit einem neuartigen Geschäftsmodell kombiniert. Dieses besteht aus der Bereitstellung von virtuellen Maschinen auf Abruf und aus einem Tarifmodell, bei dem lediglich die tatsächliche Nutzung berechnet wird. Der Einsatz von Virtualisierungstechnologie erhöht die Auslastung der verwendeten (physischen) Rechnersysteme und vereinfacht deren Administration. So ist es beispielsweise möglich, eine virtuelle Maschine zu klonen oder einen Snapshot einer virtuellen Maschine zu erstellen, um zu einem definierten Zustand zurückkehren zu können. Jedoch sind noch nicht alle Probleme im Zusammenhang mit der Virtualisierungstechnologie gelöst. Insbesondere entstehen durch den Einsatz in den sehr dynamischen Umgebungen des Virtualized Grid Computing und des Cloud Computing neue Herausforderungen für die Virtualisierungstechnologie. Diese Dissertation befasst sich mit verschiedenen Aspekten des Einsatzes von Virtualisierungstechnologie in Virtualized Grid und Cloud Computing Umgebungen. Zunächst wird der Lebenszyklus von virtuellen Maschinen in diesen Umgebungen untersucht, und es werden Modelle dieses Lebenszyklus entwickelt. Anhand der entwickelten Modelle werden Probleme identifiziert und Lösungen für diese Probleme entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf den Bereichen Speicherung, Bereitstellung und Ausführung von virtuellen Maschinen. Virtuelle Maschinen werden üblicherweise in so genannten Disk Images, also Abbildern von virtuellen Festplatten, gespeichert. Dieses Format hat nicht nur Einfluss auf die Speicherung von größeren Mengen virtueller Maschinen, sondern auch auf deren Bereitstellung. In den untersuchten Umgebungen hat es zwei konkrete Nachteile: es verschwendet Speicherplatz und es verhindert eine effiziente Bereitstellung von virtuellen Maschinen. Maßnahmen zur Steigerung der Sicherheit von virtuellen Maschinen haben auf alle drei genannten Bereiche Einfluss. Beispielsweise sollte vor der Bereitstellung einer virtuellen Maschine geprüft werden, ob die darin installierte Software noch aktuell ist. Weiterhin sollte die Ausführungsumgebung Möglichkeiten bereitstellen, um die virtuelle Infrastruktur wirksam zu überwachen. Die erste in dieser Dissertation vorgestellte Lösung ist das Konzept der Image Composition. Es beschreibt die Komposition eines kombinierten Disk Images aus mehreren Schichten. Dadurch können Teile der einzelnen Schichten, die von mehreren virtuellen Maschinen verwendet werden, zwischen diesen geteilt und somit der Speicherbedarf für die Gesamtheit der virtuellen Maschinen reduziert werden. Der Marvin Image Compositor ist die Umsetzung dieses Konzepts. Die zweite Lösung ist der Marvin Image Store, ein Speichersystem für virtuelle Maschinen, das nicht auf den traditionell genutzten Disk Images basiert, sondern die darin enthaltenen Daten und Metadaten auf eine effiziente Weise getrennt voneinander speichert. Weiterhin werden vier Lösungen vorgestellt, die die Sicherheit von virtuellen Maschine verbessern können: Der Update Checker ist eine Lösung, die es ermöglicht, veraltete Software in virtuellen Maschinen zu identifizieren. Dabei spielt es keine Rolle, ob die jeweilige virtuelle Maschine gerade ausgeführt wird oder nicht. Die zweite Sicherheitslösung ermöglicht es, mehrere virtuelle Maschinen, die auf dem Konzept der Image Composition basieren, zentral zu aktualisieren. Das bedeutet, dass die einmalige Installation einer neuen Softwareversion ausreichend ist, um mehrere virtuelle Maschinen auf den neuesten Stand zu bringen. Die dritte Sicherheitslösung namens Online Penetration Suite ermöglicht es, virtuelle Maschinen automatisiert nach Schwachstellen zu durchsuchen. Die Überwachung der virtuellen Infrastruktur auf allen Ebenen ist der Zweck der vierten Sicherheitslösung. Zusätzlich zur Überwachung ermöglicht diese Lösung auch eine automatische Reaktion auf sicherheitsrelevante Ereignisse. Schließlich wird ein Verfahren zur Migration von virtuellen Maschinen vorgestellt, welches auch ohne ein zentrales Speichersystem eine effiziente Migration ermöglicht

Side Channels in the Cloud: Isolation Challenges, Attacks, and Countermeasures

Cloud computing is based on the sharing of physical resources among several virtual machines through a virtualization layer providing software isolation. Despite advances in virtualization, data security and isolation guarantees remain important challenges for cloud providers. Some of the most prominent isolation violations come from side-channel attacks that aim at exploiting and using a leaky channel to obtain sensitive data such as encryption keys. Such channels may be created by vulnerable implementations of cryptographic algorithms, exploiting weaknesses of processor architectures or of resource sharing in the virtualization layer. In this paper, we provide a comprehensive survey of side-channel attacks (SCA) and mitigation techniques for virtualized environments, focusing on cache-based attacks. We review isolation challenges, attack classes and techniques. We also provide a layer-based taxonomy of applicable countermeasures , from the hardware to the application level, with an assessment of their effectiveness

ORC: Increasing cloud memory density via object reuse with capabilities

Cloud environments host many tenants, and typically there is substantial overlap between the application binaries and libraries executed by tenants. Thus, memory de-duplication can increase memory density by allocating memory for shared binaries only once. Existing de-duplication approaches, however, either rely on a shared OS to de-deduplicate binary objects, which provides unacceptably weak isolation; or exploit hypervisor-based de-duplication at the level of memory pages, which is blind to the semantics of the objects to be shared. We describe Object Reuse with Capabilities (ORC), which supports the fine-grained sharing of binary objects between tenants, while isolating tenants strongly through a small trusted computing base (TCB). ORC uses hardware sup- port for memory capabilities to isolate tenants, which permits shared objects to be accessible to multiple tenants safely. Since ORC shares binary objects within a single address space through capabilities, it uses a new relocation type to create per-tenant state when loading shared objects. ORC supports the loading of objects by an untrusted guest, outside of its TCB, only verifying the safety of the loaded data. Our experiments show that ORC achieves a higher memory density with a lower overhead than hypervisor-based de-deduplication

An empirical study of memory sharing in virtual machines

Content-based page sharing is a technique often used in virtualized environments to reduce server memory requirements. Many systems have been proposed to capture the benefits of page sharing. However, there have been few analyses of page sharing in general, both considering its real-world utility and typical sources of sharing potential. We provide insight into this issue through an exploration and analysis of memory traces captured from real user machines and controlled virtual machines. First, we observe that absolute sharing levels (excluding zero pages) generally remain under 15%, contrasting with prior work that has often reported savings of 30% or more. Second, we find that sharing within individual machines often accounts for nearly all (\u3e90%) of the sharing potential within a set of machines, with inter-machine sharing contributing only a small amount. Moreover, even small differences between machines significantly reduce what little inter-machine sharing might otherwise be possible. Third, we find that OS features like address space layout randomization can further diminish sharing potential. These findings both temper expectations of real-world sharing gains and suggest that sharing efforts may be equally effective if employed within the operating system of a single machine, rather than exclusively targeting groups of virtual machines