黑客开始对硬件下手 手法超越了《黑客帝国》

中国IDC圈9月5日报道，某网站日前撰文介绍了一些新型的黑客攻击手段。与以往不同的是，这些攻击直接针对的是计算机的物理实体，因此软件更新的做法对它无能为力。以下为原文内容：

我们用来描述计算机的每个词语都是隐喻： “文件”、“窗口”，甚至是“存储器”（memory，本意是记忆），它们全部是一些二进制数字，代表着一个由电线和晶体管组成的迷宫，而电子就在这个迷宫中移动。但是，当黑客跨越计算机系统的抽象层次，直接攻击它的物理实体的时候，这种隐喻就被打破了。

在过去一年半的时候中，安全研究人员一直在做这件事：研究突破隐喻、抵达物理实体的黑客技术。这种技术利用的不是操作系统或应用程序的意外行为，而是计算硬件本身的意外行为——在某些项目中，他们瞄准的对象是电，包括计算机内存中的数据比特。在本月初举办的Usenix安全大会上，有两个研究小组演示了一些攻击方式。他们开发的这些新型黑客攻击手段和现实威胁之间的距离并不遥远。

打破假设

这两种新型攻击采用的技术名叫“Rowhammer”，谷歌研究人员在今年3月首次对它进行了演示。其工作原理是在目标计算机上运行一个程序，反复覆盖DRAM闪存中的某一行晶体管，“锤击”（就是Rowhammer这个词中的hammer的含义）它们，直到出现一种罕见的状况：电荷从这行晶体管泄漏到相邻的行。这些泄漏的电荷导致相邻行晶体管中的比特位翻转——1变成了0，而0变成了1.这种翻转会让黑客获得访问计算机操作系统的特别权限。

这种攻击手段非常奇葩，但它确实有效果。

硬件和软件厂商之前的防御手段完全是以数字模型为基础的，Rowhammer和类似的攻击要求他们转换观念。 “计算机就像所有技术一样，包含了很多层次，各个层次彼此存在假设。打个比方说，一辆汽车会假设轮子可以滚动、可以缓解冲击，而且被淋湿的时候不会融化。”安全研究员丹。卡明斯基（Dan Kaminsky）说：“网络技术一个有趣的事实是：这些假设可以遭到攻击。” .2008年时，卡明斯基在互联网域名系统中发现过一个根本性的缺陷。

去年，托马斯。杜立恩（Thomas Dullien，该技术的发明者之一，即黑客界大名鼎鼎的Halvar Flake）和他在谷歌的同事发现，他们可以利用电荷泄露技术，翻转一些笔记本电脑DRAM内存中的关键比特位，这是电荷泄露可以遭到控制和利用的第一个证明。几个月后，奥地利和法国的研究人员也表示，黑客可以通过浏览器中运行的JavaScript代码展开这种攻击。

Rowhammer的这些变体以及Usenix大会上展示的两种攻击手段，表明黑客界把越来越多的注意力集中在了打破计算的基本假设上。 “Rowhammer仅仅是触及了表面而已，” 杜立恩说。 “这可能会成为一个非常庞大的研究领域”。

现实而具体的Rowhammer攻击方式

新型攻击手段把Rowhammer带向了一个新的方向——用它来攻击云计算服务和企业工作站，而不是攻击消费者的个人电脑。美国俄亥俄州一个研究团体使用该技术破解了Xen（该软件把云服务器上的计算资源划分给孤立的“虚拟机”，出租给客户）。黑客攻破了这些虚拟机，控制了云服务器接近底层的部分。

第二篇论文来自荷兰和比利时研究人员，他们的实验也取得了类似的效果。这是一种更可靠地使用Rowhammer的新方法，它利用了名为“内存的重复数据删除”（memory de-duplication）的功能，把不同虚拟机在内存中的相同部分结合起来，放在实体计算机的内存中的单一位置上。研究人员在测试中使用了戴尔工作站，他们把数据写入到虚拟机的内存中，然后使用这些数据来定位和“锤击”物理晶体管。这些晶体管上不仅仅存有他们的数据，而且也存有同在一台计算机上运行的其他虚拟机的相同数据。

研究人员把这种方法称为“颠倒风水”（Flip Feng Shui），它可以用来开展极具针对性的黑客行动，比如破坏密钥，之后他们就可以破解目标对象的秘密了。 “这不像是火焰喷射器，更像是狙击步枪，” 自由大学（University of Vrije）该研究团队的成员本。格拉斯（Ben Gras）表示。

更加隐蔽的攻击

Rowhammer远不是唯一一个针对计算机物理属性的新型黑客技术。比如，以色列研究者今年夏天展示过一个用来验证概念的恶意软件，使用计算机散热风扇或硬盘驱动器马达的声音，把窃取的数据以音频的方式传输出去。另一个以色列团队去年发现，他们可以用 300美元（约合人民币2000元）的手持设备，通过监测计算机处理器消耗电能时发出的无线电辐射，来从计算机中提取密钥。

但是关于Rowhammer，最令人不安的黑客行为是微观层面的。美国密歇根大学（University of Michigan）的研究人员在一个晶体管单元（包含一组晶体管，宽度不到人类头发丝的千分之一）上建立秘密后门，现代微芯片上这样的晶体管单元数以十亿计。如果黑客知道这个后门的存在，就可以通过运行某个程序，导致该单元拾取附近晶体管的电荷，诱导特定的比特位翻转，就像在Rowhammer攻击中一样。这样以来，就会产生一种极为隐蔽的物理层破坏技术，用数字安全工具基本上是检测不出来的。 “这超越了《黑客帝国》中的‘矩阵’，” 密歇根大学的研究人员之一马修。希克斯（Matthew Hicks）谈到这项技术时说。

对于这种类型的硬件攻击，更新软件起不到什么作用。针对Rowhammer利用内存电荷泄漏的问题，研究人员已经想出一个对策：给DRAM增加一种称为“纠错码”的功能，不断校正任何特定晶体管的电荷异常水平。在计算机内存中更广泛的实现这个功能，可以阻止Rowhammer目前的这些攻击方式。

但是杜立恩警告说，DRAM只是潜在目标之一。 “很多东西——芯片、硬盘等等——在设计的时候，就是以在普通情况下OK 为标准的，可能并没有考虑到敌意输入的情况，”他说。 “我们不知道下一个会被攻破的硬件是什么。但是，这就是为什么大家都对研究这个极感兴趣的原因。”计算机科学家可能很快就会发现，机器的脆弱不仅体现在他们已经知道的方面，而且还体现在其他方面，而这时候他们的数字模型根本就派不上用场。