Các nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây dựa vào công nghệ mã hóa bộ nhớ dựa trên phần cứng để bảo vệ dữ liệu người dùng. Công nghệ này được thiết kế để che chắn thông tin nhạy cảm như mật khẩu, hồ sơ tài chính và dữ liệu cá nhân khỏi các tác nhân độc hại và cả những người quản trị có quyền truy cập. Tuy nhiên, một phương pháp tấn công mới mang tên Battering RAM đã chứng minh rằng các biện pháp bảo vệ này có thể bị vô hiệu hóa bằng một thiết bị phần cứng bổ sung giá rẻ. Đây là một ví dụ điển hình về thách thức mới trong bảo mật đám mây, đặc biệt là với các khai thác bộ nhớ tiềm tàng ở cấp độ thấp.

Bản chất của Mã hóa Bộ nhớ trong Đám mây

Các công nghệ tiên tiến như Intel Software Guard Extensions (SGX) và AMD Secure Encrypted Virtualization-Secure Nested Paging (SEV-SNP) được thiết kế để đảm bảo rằng ngay cả khi máy chủ đám mây hoặc quản trị viên bị xâm phạm, dữ liệu được mã hóa vẫn được bảo vệ nguyên vẹn. Mục tiêu chính là tạo ra các môi trường thực thi đáng tin cậy (Trusted Execution Environments – TEEs) mà bên ngoài không thể truy cập hoặc thao túng.

Cụ thể, Intel SGX cho phép các ứng dụng tạo ra các “enclaves” riêng biệt trong bộ nhớ, nơi mã và dữ liệu được mã hóa và bảo vệ khỏi các tiến trình khác, hệ điều hành và thậm chí là hypervisor. Tương tự, AMD SEV-SNP cung cấp khả năng mã hóa bộ nhớ cho các máy ảo, ngăn chặn hypervisor truy cập vào nội dung bộ nhớ của máy ảo đó.

Những công nghệ này là nền tảng cho sự tin cậy trong các dịch vụ đám mây, cho phép người dùng an tâm lưu trữ và xử lý dữ liệu nhạy cảm mà không lo lắng về các mối đe dọa từ môi trường vật lý hoặc tầng hệ thống thấp hơn.

Kỹ thuật Khai thác Battering RAM

Cơ chế Hoạt động của Interposer

Tấn công Battering RAM sử dụng một thiết bị phần cứng bổ trợ, được gọi là “interposer” (bảng mạch trung gian), có giá thành sản xuất cực thấp (dưới 50 USD). Thiết bị này được thiết kế để nằm giữa bộ xử lý và mô-đun bộ nhớ, một vị trí chiến lược để chặn và chuyển hướng các luồng dữ liệu.

Ban đầu, trong quá trình khởi động hệ thống, interposer hoạt động bình thường, vượt qua tất cả các kiểm tra bảo mật tích hợp mà không gây nghi ngờ. Điều này cho phép hệ điều hành và nền tảng đám mây xác định bộ nhớ là an toàn và đáng tin cậy. Tuy nhiên, sau khi hệ thống đã hoạt động và các kiểm tra ban đầu đã hoàn tất, kẻ tấn công có thể kích hoạt một công tắc ẩn trên interposer.

Khi được kích hoạt, interposer sẽ âm thầm chuyển hướng các yêu cầu bộ nhớ đã mã hóa tới các vị trí được kẻ tấn công kiểm soát. Cơ chế này cho phép kẻ tấn công thực hiện việc phá hủy dữ liệu (data corruption) hoặc tấn công phát lại (replay attack) mà không bị hệ thống phát hiện. Sự tinh vi của tấn công Battering RAM nằm ở khả năng hoạt động dưới mức phần mềm, trực tiếp trên đường truyền dữ liệu bộ nhớ vật lý.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển interposer này với các linh kiện analog có sẵn và một bảng mạch PCB bốn lớp. Toàn bộ sơ đồ và tệp thiết kế đã được công bố công khai trên trang web nghiên cứu Battering RAM, làm tăng đáng kể nguy cơ các tác nhân độc hại có thể áp dụng và triển khai kỹ thuật này. Sự dễ tiếp cận về chi phí và tài nguyên này biến tấn công Battering RAM thành một mối đe dọa nghiêm trọng.

Ảnh hưởng đến Bảo mật Intel SGX và AMD SEV-SNP

Điểm đáng lo ngại nhất của Battering RAM là khả năng hoạt động hoàn toàn bên dưới lớp hệ điều hành và hypervisor. Điều này đồng nghĩa với việc các biện pháp phòng thủ dựa trên phần mềm, bao gồm cả các giải pháp phát hiện xâm nhập (IDS) và hệ thống chống mã độc, hoàn toàn không thể phát hiện ra cuộc tấn công này.

Các nhà cung cấp dịch vụ đám mây và khách hàng của họ đứng trước nguy cơ cao về việc dữ liệu bị đánh cắp, thao túng hoặc làm hỏng hệ thống. Khi các yêu cầu bộ nhớ được chuyển hướng, kẻ tấn công có thể đọc hoặc sửa đổi dữ liệu đã mã hóa trước khi chúng đến đích thực sự hoặc sau khi chúng được giải mã tạm thời trong CPU.

Cuộc tấn công Battering RAM này không chỉ làm suy yếu các cam kết về tính bảo mật của các TEE mà còn đặt ra câu hỏi về mô hình tin cậy cơ bản trong điện toán đám mây. Nó chuyển trọng tâm từ các lỗ hổng phần mềm sang các lỗ hổng cấp độ phần cứng sâu hơn, những lỗ hổng mà việc vá lỗi hoặc sửa chữa thường phức tạp và tốn kém hơn rất nhiều.

Khả năng khai thác bộ nhớ ở cấp độ phần cứng với chi phí thấp này mở ra một kỷ nguyên mới của các mối đe dọa mạng, đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện hơn đối với an ninh mạng, vượt ra ngoài các biện pháp bảo vệ truyền thống.

Biện pháp Đối phó và Kiến nghị

Intel và AMD đã xác nhận các phát hiện từ nghiên cứu này. Tuy nhiên, việc khắc phục hoàn toàn tấn công Battering RAM đòi hỏi một sự thiết kế lại đáng kể các giao thức mã hóa bộ nhớ hiện có. Điều này ám chỉ rằng các bản vá phần mềm thông thường không đủ để giải quyết vấn đề ở cấp độ gốc rễ.

Cho đến khi những thay đổi kiến trúc này xuất hiện trong các thế hệ bộ xử lý tương lai, người dùng đám mây cần phải tính đến các cuộc tấn công bộ nhớ vật lý trong mô hình đe dọa của họ. Điều này đòi hỏi một sự thay đổi trong cách đánh giá rủi ro và triển khai các biện pháp bảo vệ.

Các biện pháp phòng thủ khả thi bao gồm:

• Mã hóa bộ nhớ đa bên (Multi-party memory encryption): Một phương pháp phức tạp hơn, nơi dữ liệu được mã hóa bằng nhiều khóa khác nhau và quản lý bởi nhiều thực thể, giảm thiểu rủi ro khi một điểm bị xâm phạm.
• Xác thực phần cứng theo thời gian thực (Real-time hardware attestation): Liên tục kiểm tra tính toàn vẹn của phần cứng và cấu hình hệ thống để phát hiện bất kỳ sự thay đổi hoặc can thiệp trái phép nào, bao gồm cả sự hiện diện của interposer.

Việc áp dụng các lớp bảo vệ bổ sung như vậy là cần thiết để bảo vệ các khối lượng công việc quan trọng trong môi trường đám mây. Đối với các tổ chức và cá nhân sử dụng dịch vụ đám mây, việc chủ động cập nhật thông tin về các lỗ hổng zero-day và các kỹ thuật tấn công mới như tấn công Battering RAM là điều tối quan trọng để duy trì một chiến lược an ninh mạng hiệu quả.

Tóm lại, Battering RAM là một lời cảnh tỉnh mạnh mẽ, nhắc nhở ngành công nghiệp về sự cần thiết phải liên tục đổi mới trong lĩnh vực bảo mật thông tin, đặc biệt là khi các cuộc tấn công ngày càng chuyển dịch xuống các tầng kiến trúc thấp hơn.