NeRAM: Neuartige Rowhammer-Angriffe und Abwehrmaßnahmen

Moderne Computer haben einige Gigabyte an DRAM Speicher die verwendet werden um im Grunde alle Daten die vom Computer verarbeitet werden abzuspeichern solange dieser läuft. Der DRAM Speicher selbst besteht aus Zellen die die 1er und 0er in Kondensatoren speichern - beispielsweise geladen für eine 1 und entladen für eine 0. Hersteller erhöhen ständig die Dichte der Chips und verringern dabei die Kapazitäten dieser Kondensatoren, um Speicherkapazität, Leistung und Effizienz zu optimieren. Die Folge ist das parasitäre Effekte auftreten können, wie beispielsweise der Rowhammer-Effekt. Beim Rowhammer-Effekt sorgen hochfrequente Zugriffe auf zwei DRAM Kondensatoren das ein benachbarter Kondensator so viel Ladung verliert das eine gespeicherte 1 beim nächsten Zugriff als eine 0 gelesen wird. Dieses scheinbar kleine Problem untergräbt die Systemsicherheit ganz fundamental da ein einzelnes Bit darüber entscheiden kann ob ein Programm Administrator-Rechte hat oder nicht. Das Ziel unseres Forschungsprojekts "NeRAM" ist es den Rowhammer-Effekt besser zu verstehen, Abwehrmaßnahmen zu untersuchen, und neue effektive Abwehrmaßnahmen zu entwickeln. Wir untersuchen hierzu das Ausmaß des Rowhammer-Effekts mittels automatisierter Frameworks. Ein wichtiger Bestandteil ist es noch unbekannte Eigenschaften des Rowhammer-Effekts zu beschreiben, insbesondere solche die in verschiedenen Umgebungen entstehen, wie zum Beispiel die Auswirkungen von Temperatur, EM-Strahlung und Alterung. Darüberhinaus untersuchen wir den Rowhammer-Effekt auch auf Geräten die bisher nicht im Kontext von Rowhammer untersucht wurden, und zwar Grafikkarten. Grafikkarten haben speziellem GDDR-RAM-Speicher der unserer Einschätzung zufolge auch für Rowhammer-basierte Angriffe anfällig sein wird. Auf dieser Grundlage werden wir schließlich Abwehrmaßnahmen gegen Rowhammer vorschlagen die spezielle Daten vom Betriebssystem gezielt schützen. Mit Prototypen werden wir dann die Wirksamkeit der Abwehrmaßnahmen demonstrieren. NeRAM ist eine Forschungszusammenarbeit zwischen Florian Adamsky (Hochschule Hof) und Daniel Gruss (Technische Universität Graz).

Moderne Computersysteme können auf unerwartete Weise fehleranfällig sein: Allein durch häufige Speicherzugriffe können benachbarte Daten gestört und unbemerkt verändert werden. Dieses Phänomen, bekannt als Rowhammer, kann von Angreifern ausgenutzt werden, um Sicherheitsmechanismen zu umgehen. Unser Projekt zeigt, dass es sich dabei nicht nur um ein theoretisches Problem handelt, sondern um ein reales Risiko in heutigen Systemen. Das wichtigste Ergebnis ist FlippyRAM, eine groß angelegte Nutzerstudie zu Rowhammer unter realen Bedingungen. Dafür haben wir ein einfach nutzbares Testwerkzeug entwickelt und Freiwillige aus der Öffentlichkeit sowie der Forschung eingeladen, ihre eigenen Geräte zu testen. Insgesamt konnten wir mehr als 1000 Datensätze von über 800 verschiedenen Systemen sammeln. Damit gehört diese Studie zu den umfassendsten Untersuchungen dieser Art. Das Ergebnis ist eindeutig: Etwa jedes zehnte getestete System war anfällig. Rowhammer ist somit auch im Alltag ein relevantes Sicherheitsproblem. Gleichzeitig zeigt unsere Studie, warum solche Angriffe bislang nicht weit verbreitet sind. Ihre Durchführung ist technisch anspruchsvoll und hängt stark von der jeweiligen Hardware und Systemkonfiguration ab. Oft scheitern Angriffe daran, dass die interne Organisation des Speichers schwer automatisch zu rekonstruieren ist. In weiterführenden Arbeiten konnten wir diese Analyse deutlich verbessern und so die Erkennung von Schwachstellen auch in modernen Speichersystemen erleichtern. Ein weiteres wichtiges Ergebnis betrifft die Einordnung wissenschaftlicher Studien. Durch eine systematische Analyse bestehender Arbeiten konnten wir zeigen, dass viele Untersuchungen auf kleinen Stichproben oder unrealistischen Annahmen basieren. Dadurch können Risiken verzerrt dargestellt werden. Unsere Ergebnisse tragen dazu bei, zukünftige Forschung verlässlicher und besser vergleichbar zu machen. Schließlich haben wir auch praktische Schutzmaßnahmen untersucht. Neue Mechanismen können gefährliche Speicherzugriffe frühzeitig erkennen und verhindern. Unsere Ergebnisse zeigen, dass solche Schutzmaßnahmen mit nur geringen Leistungseinbußen möglich sind - insbesondere, wenn zukünftige Hardware diese unterstützt. Insgesamt liefert das Projekt ein realistisches Bild dieser versteckten Hardware-Schwachstelle, erklärt ihre praktische Relevanz und zeigt konkrete Wege zu ihrer Eindämmung. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit moderner IT-Systeme - von Alltagsgeräten bis hin zu Cloud-Infrastrukturen.