FPL 2017最佳论文:如何对FPGA云发动DoS攻击?

第27届现场可编程逻辑与应用国际会议(The International Conference on Field-Programmable Logic and Applications,FPL)九月份在比利时根特召开。在FPL 2017上,一篇来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的论文《Voltage Drop-based Fault Attacks on FPGAs using Valid Bitstreams》获得了最佳论文奖,同时也成为了所有与会者谈论的焦点。

背景介绍

FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)因为其卓越的灵活性而越来越受到用户青睐。不论是低端的IoT设备,还是高端的云计算中心,FPGA在这些最新的应用场景下都展示出高效的计算能力。加上过去就一直在应用FPGA的关键行业,例如军工,航空航天等,诸多领域的发展都给FPGA的安全性带来了新的挑战。

之前对FPGA攻击的研究都是基于本地的,例如,更改FPGA的电源或时钟,或在管脚人为注入“特洛伊代码”。随着FPGA越来越多的在云计算中心中的应用,任何人都可以远程在服务器的FPGA上占用一部分逻辑门,将这个区域设置为自己需要的任意电路,以实现运算加速等功能。而之前,FPGA只能通过受信任的IP提供者被设置。这意味着FPGA在云计算这类应用中将前所未有的暴露自身的安全漏洞。

这项研究的威胁模型基于以下假设:攻击者可以重构部分或全部FPGA的逻辑门,目的是对系统发起DoS(Denial of Service)攻击。作者对两种FPGA分别进行了测试,一类是在云计算中心作为加速器的FPGA,另一类是有片上SoC的FPGA,这类FPGA多应用在IoT场景下。对两种FPGA的研究都发现,发动的DoS攻击可以使FPGA完全瘫痪直至手动复位电源。对于有片上SoC的FPGA来说,在其应用场景下可能并没有电源复位的选项,唯一复位电源的的办法只能是将电池取出再放回。

电路设计

针对FPGA的DoS攻击的基本原理大致如下:通过编辑片上逻辑,使FPGA负载能在瞬间改变。由于电源瞬态响应缓慢,以及电源分配网络(Power Delivery Network,PDN)的设计缺陷,导致FPGA电压过低,进入欠压保护而被锁定,进而达到瘫痪设备的目的。

为了达到瞬间改变FPGA负载的效果,作者将一个逻辑单元的输出经过一个非门连回到输出端。如下图所示,这样的电路构成了一个正反馈的环形振荡器(Ring Oscillator)。环形振荡器里的CMOS开关管会以极快的速度翻转,消耗大量电流。大量逻辑单元都被设置成这样的环形振荡器,并且通过一个使能信号控制所有振荡器,就能瞬间改变FPGA的电流负载。通过控制使能信号的开关频率fRO-t,可以模拟不同的负载变化来观察其对FPGA的影响。

实验结果与讨论

作者测试了三块FPGA开发板,分别是:有40纳米的Xilinx Virterx 6 FPGA的ML605开发板,28纳米的Kintex 7 FPGA的KC705开发板,以及28纳米的Zynq 7020 SoC-FPGA(双ARM Cortex A9 + 片上FPGA)的Zedboard开发板。

测试中,三种开发板都在一定条件下发生了欠压保护导致的系统崩溃。ML605和KC705在欠压保护后均无法自动恢复。Zedboard则会随机出现三种不同的系统故障:一是和前两块开发板一样出现无法自动复位的欠压保护;一种是芯片自动重置,片上所有的设置,包括两个ARM核的状态也被重置;第三种状况类似重置,但是作者在试图重新配置芯片时发生软件故障,之后系统便进入第一种无法自动恢复的欠压保护模式。可见,不论出现何种故障,都需要手动重置电源才能恢复系统。

以ML605开发板作为实例,作者在片上布设了18720个环形振荡器,大约只占用了12%的片上资源。使能信号的频率fRO-t从20kHz到2MHz。实验发现,在高于1MHz时,片上电压压降不足以引起欠压保护;在80kHz到1MHz的范围内,系统崩溃会随机的发生;而在频率小于80kHz时,系统崩溃几乎必然发生。

作者同时将两块开发板通过PCIe接口接入工作站,发现系统崩溃同样发生了。崩溃后ML605可以通过板上的电源开关进行复位,而KC705甚至必须要将整个工作站重启才能恢复。下表总结了三块板在不同状态下的能耗:

以上实例展示了通过欠压保护机制对FPGA发动DoS攻击的方法。如此发动的DoS攻击快速,且可以导致整块FPGA不可逆的瘫痪,直至手动重置电源。

允许用户自己设置FPGA实现运算加速的系统中,无疑暴露了巨大的安全隐患。这导致整台服务器需要重新启动。如果系统是通过不可替换的电池供电的话,FPGA将陷入永久的DoS状态。

结论

FPGA在云计算和IoT中都有大量的应用,在这些新的应用中,传统的比特流加密(bitstream encryption)等安全措施已经不足以应对新的挑战。在这项研究中,作者揭示了一个新的安全漏洞,通过一类方法可以对FPGA发动DoS攻击,并在两代FPGA上进行了实测。结果发现,仅仅利用12%的片上资源,就可以使FPGA由于欠压保护而完全瘫痪。

原文发布于微信公众号 - AI研习社(okweiwu)

原文发表时间:2017-10-16

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