情報セキュリティ研究センター活動紹介

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たかとしりゅうとう
7 years ago
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1 Bitvisor をベースとした既存 Windows のドライバメモリ保護須崎有康八木豊志樹古原和邦石山智祥村上純一鵜飼裕司 ( 独 ) 産業技術総合研究所セキュアシステム研究部門フォティーンフォティ技術研究所

2 概要背景ドライバメモリを守る理由ドライバメモリ保護に必要な技術現状インストール済みの OS の外部から挿入可能なハイパーバイザー VM Introspection 関連研究メモリの保護は Stealth breakpoints を活用改善計画まとめ

3 背景クライアントおよびサーバ双方からの情報漏えいを防止するアクセス制御技術の研究開発総務省による戦略的情報通信研究開発推進制度 (SCOPE) H23-25 産総研サイエンスパーク (FFRI) Windows 上でアクセス制御を行う NonCopy ( サイエンスパーク社製品 ) を活用 NonCopy はドライバによりファイルコピー Screen Cut&Paste 印刷などを行う Windows API を抑制するデフォルトでは閲覧のみ NonCopy プリンタ印刷禁止ネットワーク利用禁止禁止 Internet メール添付 FTP コピー & ペースト NonCopy アーキテクチャアプリケーションオペレーティングシステム Driverware コアエンジン NonCopy アクセス制御 LBCAS ネットワーク制御モジュールプリンタ制御モジュールファイルシステム制御モジュール HID 制御モジュール This is a pen. This is a pencil 書き込み禁止ライティングソフトネットワークプリンタストレージデバイスマウス / キーボードハードウェア

4 ドライバへの攻撃ドライバの中に暗号鍵があるドライバは長時間メモリに滞在するため漏えいの危険性があるメモリに長期滞在するデータの危険性は [Chow, USENIX Sec 04] より指摘されているハイパーバイザーでOSの下位よりドライバを監視して不正アクセスを防御するユーザ空間ハイパーバイザーで守ることで OS をだます攻撃にも対応するカーネル空間改ざん不可カーネルアプリドライバメモリの write 監視改ざん検知アプリドライバ鍵ハイパーバイザーハードウェア覗き見不可ドライバ鍵の格納メモリの read/write を不可にするドライバ自体の読出しのみ許可

5 ドライバメモリ保護に必要な技術ハイパーバイザーに必要な技術 1. インストール済みの OS に対して外部から挿入可能なハイパーバイザー 2. VM Introspection 関連研究

6 Windows ドライバ保護に必要な技術 1( デバイス管理問題 ) 多くのハイパーバイザーは複数 OS を 1 台のマシンで起動するために使われている例 :IaaS クラウド問題点ホスト OS が必要管理ソフトウェアの大規模化 VMware ESXi は 5.x よりホスト OS 無しになったが管理サーバが必要基本的にデバイスがホスト OS の管理下になる VM デバイスモデルが固定デバイスは VM 中の仮想デバイスで共有されるプレインストールの OS とは異なる Xen, KVM, QEMU は QEMU Device モデルが標準

7 既存の OS へのハイパーバイザー挿入既存の OS が想定している物理デバイスを VM 環境内で提供する必要がある VM デバイスモデルが同じにできればよい各 PC 毎にデバイスをモデルを用意しなければならない VM からデバイスを直接アクセス I/O PassThrough ハードウェアが限定ハイパーバイザーでも対応が必要 Para-PassThrough Bitvisorで提供される

8 Windows ドライバ保護に必要な技術 2(VM Introspection) ハイパーバイザーがドライバの動作メモリ空間を認識する必要がある守るべきドライバが組み込まれたことの認識 Linux: create_module, init_module システムコールなど Windows: NtLoadDriver システムコールなど守るべきメモリ空間の認識各種の実装あり

9 VM Introspection Ether [GITech Wenke Lee グループ, CCS 08] Xen ベースの VM Introspection オープンソース対象 OS は Windows XP SP2 GreenKiller [FFRI Junichi Murakami, BlackHat 08] Bitvisor ベースの VM Introspection 対象 OS は Windows XP SP3 Alkanet [ 立命館大学大月さん毛利先生, CSS 11] Bitvisor ベースのシステムコールトレース対象 OS は Windows XP SP3

10 ドライバ保護の類似研究 Nooks [M.Swift, SOSP 03] 障害時にリカバーがメイン HUKO[NDSS 11] 信頼できないドライバの保護ドライバ用のメモリ空間とカーネル用のメモリ空間の分離 CR3 の値を変える Windows7 の Driver Isolation プリンタがメイン OS2 IA32 アーキテクチャの 4 つのリング構造でカーネルとデバイスドライバを分ける

11 ドライバメモリを保護するハイパーバイザー既存 OS への挿入可能性 VM Introspection を考慮して Green Killer ベースで開発 DriverGurad と命名動作手順 USBからハイパーバイザーを起動後ハードディスクOSの起動ハイパーバイザーのドライバ認識保護するメモリ領域の認識攻撃に対する防御 Stealth Breakpoints 技術

12 起動手順ハードディスクにインストール済みの OS に対して起動時に DriverGuard を挿入する Chain load 技術類似の技術には Linux の kexc システムコールを使った kboot がある PS3Linux で使われていた BIOS (USB is the first bootable device) Go back to MBR USB(GRUB) chain loader DriverGuard (Bitvisor) (resides in memory) HardDisk(NTLDR) Windows

13 現在の実装 1/2 DriverGuard では GreenKiller による Windows の解析を利用起動時に守るべきドライバの認識ドライバの ID としてはタイムスタンプを ID とするドライバは ntkrnlpa.exe の LoadDriver 関数を通るためこの関数をフックフックは int 03H (0xCC) 命令例に置き換えることで例外を DriverGuard に通知

14 現在の実装 2/2 守るべきメモリ空間はドライバからのハイパーコールで通知ドライバの改変が必要現在対象の NonCopy では ExAllocatePoolWithTag で保護対象のメモリを確保していたが他の領域で保護対象にできる

15 保護手順 2 System Call IopLoadDriver loads a driver Windows kernel DriverGuard Hooked by DriverGard 1 Boot parameter tells a driver identification to protect All Code Section becomes Write-protected Driver A (protected ) 3 Hyper Call tells a data region to protect A part of Data Section becomes Write-protected Memory Driver A Code Driver A Data Write Protect Read/Write Protect

16 攻撃モデル本来のドライバ以外から攻撃を検出カーネル内で同じメモリ空間のドライバからの攻撃

17 メモリの保護 Stealth Breakpoints [ACSAC 05] の技術の活用 INT 03H (0xCC) に置き換えずに Breakpoint の機能を実現メモリ内容を変えないため攻撃者から検出され難いハイパーバイザーが守るべきメモリを管理するページテーブルを空にしアクセスが起こるたびにページフォルトを起こすページフォルトをハイパーバイザーが捉え正しいアクセスか検証問題が無ければアクセスを許す問題点保護対象は4KBページ単位保護対象外でも4KBページ内のアクセスは全て検証されてしまう

18 Stealth Breakpoints Process A (Normal) CR3 Page Table Directory 0x x x x x x Physical Memory 0x Process B (Malicious) 0x x CR3 Page Table Directory 0x x x x x x Page fault which is trapped by DriverGuard 2 Malicious Access 1 Deleted by DriverGuard after kernel set up.

19 攻撃検出後の動作問題を起こしたプロセスをとらえ無限ループにする Low IRQL(Interrupt ReQuest Level) で無限ループのすることにより他のプロセスは実行可能但し現状では CPU をかなり食うので他のプロセスは遅くなる

20 動作例 1 ログ表示ツールによる Bitvisor(DriverGuard) の動作確認

21 動作例 2 保護アドレスの確認攻撃ツールの CPU 攻撃前使用量 (0%) 攻撃ツールからの保護アドレスへの書き込み

22 動作例 3 保護アドレスの確認攻撃ツールからの保護アドレスへの書き込み攻撃ツールの CPU 攻撃後使用量 (98%)Low IRQL による無限ループ他のアプリも使えますが遅くなります

23 現在 DriverGuard の制約事項 OS は WindowsXP SP3 のみ BIOS の設定によりマルチプロセッサを Disabled( 無効 ) とする OS の設定により仮想メモリ機能を無効の状態とする OS の設定により PSE(Page Size Extension) を無効の状態とする保護領域のアドレス通知をすべて受け取るまでは保護領域は守れない OSであるWindowsXP SP3をアップデートした場合は動作を保証できない

24 現状の課題ドライバの ID としてタイムスタンプは不適切実装が容易だが改ざんされる恐れありドライバで HyperCall する必要があるドライバの改良が必要警告確認が CPU の負荷の向上で判り難いユーザ空間にハイパーバイザーの状態をポーリングする手法も考慮したがこれが改ざんされる ( 検出漏れ ) 恐れがある

25 改良予定ドライバの識別子としてドライバコードの SHA1 とするハイバーバイザーで SHA1 の計算が必要ドライバの守るべき領域をヒープメモリとするヒープメモリをハイパーバイザーが実行時に検出する必要ありヒープは頻繁にアクセスされないと想定 OS と非依存の警告悪意のあるアクセスを検出した場合 OS と非依存の警告ハイパーバイザーがビープ音を鳴らすことやビデオドライバへの直接警告する Bitvisor 1.3 で入った機能 ( 電通大の大山先生の ADvisor) 現状では対象ビデオカードが限定 Intel 945GM はちょっと古い?

26 まとめ Windows を対象としたドライバメモリの情報漏えいを防ぐ DriverGuard の提案 Bitvisor ベースとすることで任意のインストール済み OS に対して起動時にハイパーバイザーを挿入する Driver を理解するために VM Introspection 機能のある GreenKiller の活用 Stealth Breakpoints によるアクセス検出

ソフトウェアセキュリティ研究チームポスター・デモ紹介

ソフトウェアセキュリティ研究チームポスター・デモ紹介情報セキュリティ研究センター Research Center for Information Security ゼロディ攻撃に対する異常挙動解析と挿入可能な仮想マシンモニタによるデバイス制御 Windows のゼロディ攻撃に対して振舞いから異常動作を検出し仮想マシンモニタでのデバイス制御をすることより情報漏洩改竄を防止する開発項目 1Windows 上での異常挙動検出 2 仮想マシンモニタインサーション