멜트다운 (버그)

3. 작동 원리

멜트다운^[34]은 명령어 실행과 권한 확인 사이에 발생할 수 있는 CPU 경합 조건에 의존한다. 명령어 실행은 권한 확인에 의해 프로세스에 숨겨지지 않은 정보를 구성하는 부작용을 남긴다. 멜트다운을 수행하는 프로세스는 이러한 부작용을 사용하여 권한 확인을 우회하여 메모리 맵 데이터의 값을 추론한다.

이 공격은 마이크로소프트 윈도우 또는 리눅스를 실행하는 인텔 프로세서를 기준으로 설명되어 있으며, 이는 원래 논문에서 사용된 주요 테스트 대상이지만, macOS(일명 OS X), iOS, 안드로이드를 포함한 다른 프로세서 및 운영 체제에도 영향을 미친다.^[34]

멜트다운은 다음과 같은 과정을 통해 작동한다.

# CPU는 프로세스가 접근할 수 없는 주소에서 값 A에 접근하는 명령을 만난다. 이 명령은 추측 실행 때문에 실행 유닛으로 전송되고, 실행 유닛은 권한 확인과 메모리 접근을 모두 예약한다.

# CPU는 공격자가 선택한 Base+A 주소에 접근하는 명령을 받는다. 이 명령도 실행 유닛으로 전송된다.

# 권한 확인은 값 A의 주소가 프로세스에 금지되어 있어 해당 명령이 실패하고 후속 명령은 효과가 없음을 알린다. 그러나 이 명령들은 추측 실행되었기 때문에 Base+A의 데이터는 권한 확인 ''전에'' 캐시되었을 수 있으며, 실행 취소되지 않았을 수 있다. 이 캐싱 자체가 정보 누출을 유발하며, 여기서 멜트다운이 개입한다.^[34]

# 프로세스는 타이밍 공격을 수행한다. 거부된 명령(Base+A)이 참조하는 주소의 데이터가 캐시되었기 때문에, 동일한 주소를 참조하는 명령이 더 빠르게 실행된다. 프로세스는 타이밍 차이를 감지하여 금지된 메모리 주소에서 값 A를 결정한다.

멜트다운은 이 기술을 반복 사용하여 관심 있는 주소를 빠르게 읽는다. 다른 실행 중인 프로세스에 따라 암호, 암호화 데이터 등 메모리 맵에 존재하는 모든 프로세스의 민감한 정보를 포함할 수 있다. 캐시 사이드 채널 공격은 느리기 때문에 한 번에 한 비트씩 데이터를 추출하는 것이 더 빠르다.

3. 1. 핵심 기술

• '''가상 메모리'''(메모리 매핑): 각 프로세스에 독립적인 메모리 공간을 제공하여, 다른 프로세스의 메모리에 접근하는 것을 방지한다. 이를 통해 여러 프로세스가 동일한 시스템에서 함께 존재하면서도 서로 간섭하거나 무단으로 데이터를 유출하지 않도록 보호한다.^[34]

• '''보호 링(Protection Rings)''': 운영 체제가 프로세스의 메모리 접근 권한을 제어하는 메커니즘이다. 권한이 있는 메모리에 접근하면 즉시 성공하지만, 권한이 없는 메모리에 접근하면 예외가 발생하여 읽기 명령이 실패한다. 이 방식을 통해 운영체제는 프로세스가 불법적인 메모리 주소에 접근하는 것을 막고, 프로세스가 부작용을 분석하고 결과를 저장할 시간을 주지 않는다.^[34]

• '''명령어 파이프라인''' 및 '''추측 실행''': CPU 성능 향상을 위해 명령어를 순서에 상관없이, 또는 예측하여 미리 실행하는 기술이다. 현대 프로세서는 여러 개의 실행 유닛과 스케줄러를 통해 명령어들을 동시에 또는 순서를 바꿔 실행하여 효율성을 높인다. 조건부 분기의 경우, CPU는 결과를 예측하여 미리 실행(추측 실행)하고, 예측이 틀리면 결과를 폐기한다.^[34]

• '''CPU 캐시''': CPU 내부에 존재하는 고속 메모리로, 자주 사용되는 데이터나 명령어를 저장하여 메모리 접근 속도를 높인다. CPU가 물리적 메모리에 접근하는 것은 상대적으로 느리기 때문에, 캐시를 사용하여 효율성을 높인다.^[34]

3. 2. 공격 메커니즘

4. 영향

연구자들에 따르면 1995년 이후 비순차적 명령어 처리(Out-of-order Execution) 기술을 악용한 보안 취약점으로, 이를 적용한 대부분의 인텔 아키텍처에 영향이 있다고 한다. (인텔 아이테니엄과 2013년 이전에 나온 인텔 아톰은 예외이다.)^[177]

이 보안 취약점은 아마존 웹 서비스(AWS)^[178], 구글 클라우드 플랫폼 같은 주요 클라우드 서비스 제공자들에게 큰 영향을 미치고 있다. 클라우드 플랫폼은 동일한 물리적 서버에서 여러 가상 머신을 실행하는데, 멜트다운은 가상화로 보호되는 보안을 뚫고 다른 가상 머신의 프로그램을 엿볼 수 있기 때문이다.

멜트다운의 영향은 CPU 설계, 운영 체제(특히 메모리 페이징을 사용하는 방식) 설계, 악의적인 측이 해당 시스템에서 코드를 실행할 수 있는지 여부, 그리고 실행할 수 있을 경우 읽을 수 있는 데이터의 가치에 따라 달라진다.

멜트다운으로 인해 사용자 비밀번호, 암호화 키, 개인 정보 등 민감한 데이터가 유출될 수 있다.

4. 1. 영향을 받는 시스템

2018년 1월 5일 시점에서는 AMD의 CPU가 멜트다운의 영향을 받았다는 테스트 결과는 보고되지 않았다.

ARM은 Cortex-R7/R8/A8/A9/A15/A17/A57/A72/A73/A75가 Spectre의 영향을 받으며, 이에 더해 Cortex-A75는 Meltdown의 영향을 받는다는 것을 인정했다.^[113]

미들레인지 안드로이드 휴대 전화 단말기에 다수 사용되는 옥타 코어의 ARM Cortex-A53/A55는 아웃 오브 오더 실행을 하지 않기 때문에, Meltdown이나 Spectre의 취약점의 영향을 받지 않는다고 알려져 있다. 퀄컴 스냅드래곤 630/626/625/4xx도 베이스 코어가 Cortex-A53/A55이기 때문에 마찬가지이다.^[131] 라즈베리 파이도 영향을 받지 않는다고 알려져 있다.^[132]

IBM은 POWER 제품군은 이 취약점의 영향을 받으며, IBM Z 관련 정보는 IBM Z 포털에서 공개될 것이라고 발표했다.^[133]

널리 사용되는 대부분의 범용 운영 체제는 설계의 일부로 권한 수준과 가상 메모리 매핑을 사용한다. 멜트다운은 메모리가 매핑된 페이지만 액세스할 수 있으므로, 모든 활성 메모리와 프로세스가 모든 프로세스에서 메모리 매핑되고 운영 체제가 이러한 방식으로 거의 아무것도 접근할 수 없도록 설계된 경우에 가장 적은 영향을 미친다. 운영 체제는 또한 이러한 종류의 프로브 시도가 유용한 것을 전혀 드러내지 않도록 보장함으로써 소프트웨어로 어느 정도 완화할 수 있었다. 최신 운영 체제는 속도를 높이기 위해 메모리 매핑을 사용하므로 이로 인해 성능 저하가 발생할 수 있었다.^[45]

이 취약점은 아마존 웹 서비스(AWS)^[49] 및 구글 클라우드 플랫폼(Google Cloud Platform)과 같은 주요 클라우드 제공업체에 영향을 미칠 것으로 예상되었다. 클라우드 제공업체는 사용자가 민감한 데이터가 저장될 수 있는 동일한 물리적 서버에서 프로그램을 실행하도록 허용하며, 멜트다운 익스플로잇이 우회하는 기능인 해당 데이터가 저장된 권한 있는 메모리 위치에 대한 무단 액세스를 방지하기 위해 CPU에서 제공하는 안전 장치에 의존한다.^[47]

Meltdown and Spectre: Which systems are affected by Meltdown? (영어)를 참조할 수 있다.

본 취약점은 아마존 웹 서비스(AWS)^[134], 마이크로소프트 애저(Microsoft Azure)^[135][136] 및 구글 클라우드 플랫폼 등 주요 클라우드 프로바이더에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 클라우드 프로바이더는 구조상 중요한 데이터가 저장된 동일한 물리적 서버에서 사용자에게 프로그램을 실행시키고 있으며, 중요한 데이터가 저장된 특권 메모리 위치에 대한 무단 액세스를 방지하는 조치를 CPU의 세이프 가드에 위임하지만, 이 세이프 가드는 멜트다운 취약성으로 인해 우회될 수 있다고 한다.

논문 저자 중 한 명은 준 가상화(Xen) 및 도커, LXC, OpenVZ와 같은 컨테이너가 영향을 받는다고 보고했다.^[137] 완전히 가상화된 머신에 대한 공격을 수행하면 게스트 사용자 공간이 게스트 커널 메모리를 읽을 수 있지만, 호스트의 커널 공간에서는 불가능하다고 언급했다.

4. 2. 잠재적 피해

• '''CPU''': 1990년대 후반부터 2018년 초까지 널리 사용된 대부분의 CPU는 멜트다운 취약점을 악용할 수 있는 설계를 가지고 있다.^[50] 하지만 CPU 설계 내에서 메모리 접근을 제어하거나 캐시 타이밍 공격에 취약하지 않도록 하는 방식으로 완화할 수 있다.
• '''운영 체제''': 대부분의 운영 체제는 권한 수준과 가상 메모리 매핑을 사용한다.^[50] 멜트다운은 메모리가 매핑된 페이지만 접근할 수 있으므로, 모든 활성 메모리와 프로세스가 모든 프로세스에서 메모리 매핑되고 운영 체제가 이러한 방식으로 거의 아무것도 접근할 수 없도록 설계된 경우에 가장 적은 영향을 미친다.
• '''가상 머신''': 멜트다운 공격은 가상 머신에서 탈출하는 데 사용될 수 없다.^[50] 즉, 완전히 가상화된 머신에서 게스트 사용자 공간은 게스트 커널 공간에서 읽을 수 있지만 호스트 커널 공간에서는 읽을 수 없다.^[45]
• '''임베디드 장치''': 취약한 칩에는 휴대폰, 스마트 TV, 네트워킹 장비, 차량, 하드 드라이브, 산업 제어 등과 같은 독립형 및 임베디드 장치를 위해 설계된 ARM 및 인텔 칩이 포함된다.^[46]

5. 대응 및 완화 조치

멜트다운 취약점에 대응하기 위해 여러 조치가 이루어졌다.

마이크로소프트는 2018년 1월 3일 윈도우 10용 긴급 업데이트를 배포했으며,^[179] 다른 윈도우 버전은 정기 패치 날짜에 업데이트될 예정이었다.^[180] 리눅스 커널은 커널 페이지 테이블 격리(KPTI)라는 패치를 개발하여 4.15 버전에 적용할 예정이었고, 4.14.11 커널에는 백포트되었다.^[181][182] macOS는 10.13.2 버전에서 패치를 제공했다.^[180]

이러한 수정 조치로 인해 일부 시스템에서 성능 저하가 발생할 수 있다는 보고가 있었으며,^[173] 특히 최대 30%까지 성능이 감소할 수 있다는 주장이 제기되었다.^[95] 그러나 Phoronix 측은 리눅스 게임 성능에는 영향이 없다고 발표했다.^[176]

애플은 macOS 10.13.2, iOS 11.2, tvOS 11.2에 완화 기능을 포함시켰으며,^{[78][79][80][81]} 애플 워치와 watchOS는 영향을 받지 않는다고 밝혔다.^[82] 추가적인 완화 기능은 사파리 업데이트와 macOS 10.13 및 iOS 11.2.2의 보충 업데이트에 포함되었다.^{[83][84][85][86][87]}

마이크로소프트는 Windows 10, 8.1, 7 SP1에 대한 긴급 업데이트를 출시했다.^[88][89][90] Windows Server 및 Windows Embedded Industry에도 해당 업데이트가 적용되었다.^[91] 그러나 일부 타사 바이러스 백신 소프트웨어와의 호환성 문제로 인해, 특정 레지스트리 키 추가가 필요했다.^[92][93][94] 또한, 특정 AMD CPU에서 문제가 발생하여 업데이트 배포가 일시 중단되기도 했다.^[92]

인텔은 성능 영향이 워크로드에 따라 다르며, 일반 사용자에게는 크지 않을 것이라고 밝혔다.^[99][53] 포로닉스는 인텔 커피 레이크 코어 i7-8700K CPU와 KPTI 패치가 설치된 리눅스 시스템에서 벤치마킹을 진행한 결과, 게임 성능에는 영향이 거의 없음을 확인했다.^[55] 그러나 일부 워크로드에서는 성능 저하가 발견되었다.^[100]

2018년 1월 18일, 최신 인텔 칩에서도 멜트다운 및 스펙터 패치로 인한 재부팅 문제가 보고되었다.^[106] 델은 2018년 1월 26일 기준으로 이러한 취약점의 실제 악용 사례는 보고되지 않았다고 밝혔다.^[15][16]

2018년 3월, 인텔은 멜트다운 및 스펙터-V2에 대한 하드웨어 수정을 설계했다고 발표했다.^[19][20] 2018년 10월 8일에는 최신 프로세서에 하드웨어 및 펌웨어 완화 기능을 추가했다고 보고했다.^[43]

5. 1. 커널 페이지 테이블 격리 (KPTI)

(본 표제의 날짜는 특별한 언급이 없는 한 2018년)

5. 2. 운영체제별 패치

5. 3. 하드웨어적 해결

5. 4. 기타

6. 성능 저하 논란

마이크로소프트는 2018년 1월 3일 윈도우 10에서 이 문제를 해결하는 긴급 업데이트를 배포했으며,^[179] 다른 윈도우 버전을 지원하는 경우 MS의 주기적인 패치 날짜에 업데이트될 예정이다.^[180] 몇몇 경우, 이 수정사항이 30%의 성능 감소를 보인다고 하며,^[173] Phoronix 측은 리눅스 게임 퍼포먼스에선 영향이 없다고 발표했다.^[176]

커널 페이지 테이블 격리(KPTI) 구현은 CPU 성능 감소로 이어질 수 있으며, 일부 연구원들은 사용량에 따라 최대 30%의 성능 손실을 주장했지만, 인텔은 이를 과장된 것으로 간주했다.^[95] 프로세스 컨텍스트 식별자(PCID)를 지원하는 인텔 프로세서 세대(Westmere에서 도입^[96])이며, Haswell 아키텍처 이후의 모든 칩에서 사용할 수 있는 기능은 PCID가 없는 이전 세대보다 KPTI에서 성능 손실에 덜 취약한 것으로 보고되었다.^[97][98]

인텔의 성명은 "성능 영향은 워크로드에 따라 다르며, 일반 컴퓨터 사용자의 경우 중요하지 않으며 시간이 지남에 따라 완화될 것입니다"라고 밝혔다.^[99][53] 포로닉스는 인텔의 커피 레이크 코어 i7-8700K CPU와 KPTI 패치가 설치된 리눅스 시스템에서 몇 가지 인기 있는 PC 게임을 벤치마킹했으며, 성능 영향이 거의 없거나 전혀 없다는 것을 발견했다.^[55] 다른 테스트, 합성 I/O 벤치마크와 PostgreSQL 및 Redis와 같은 데이터베이스를 포함하여, 일부 워크로드의 경우 수십 퍼센트에 달하는 성능 저하가 발견되었다.^[100]

멜트다운 패치는 성능 저하를 유발할 수 있다.^[95][53][99] 일부의 경우, 패치가 적용된 컴퓨터의 성능이 30% 저하되었다고 보고되었으며, Phoronix는 리눅스 게임 성능에는 영향이 없다고 발표했지만, 충분히 검증되지 않았다. 클라이언트, 서버, 호스팅 서비스 등 환경에 따라 감소폭은 다를 것으로 예상된다.

인텔은 클라이언트 PC용 벤치마크에서 6세대 - 8세대 코어 아키텍처에 대해 벤치마크 결과가 6 - 8% 정도라고 발표했다.^[168]

Impress는 NVMe 및 SATA 인터페이스의 SSD에서 무작위 액세스 성능의 일부가 대폭 저하된다는 실험 결과를 공표했다.^[169]

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