Wie man einem Computer Ideen einpflanzt

Träume können unsere Stimmung und unser Handeln beeinflussen. Das hat schon jeder von uns erlebt. Jemanden eine Idee einzupflanzen, während er träumt, um ihn dazu zu bringen, nach dem Aufwachen etwas Bestimmtes zu tun, gehört allerdings ins Reich der Science Fiction. So wie im Film «Inception» von 2010. Dort versucht ein von Leonardo DiCaprio gespielter Experte, den Erben eines reichen Geschäftsmanns so zu beeinflussen, dass er das Reich seines Vaters zerschlägt. Zu diesem Zweck begibt er sich mit dem Erben in einen gemeinsamen Traum, in dem er durch geschickte Manipulation dessen Haltung seinem Vater gegenüber auf subtile Weise ändert. So bringt er ihn schliesslich dazu, das Geschäft seines verstorbenen Vaters aufzugeben.

Was im wirklichen Leben unmöglich ist, gelang allerdings in ähnlicher Weise vor Kurzem in der Welt der Computer: Ein ETH-Forschungsteam um Kaveh Razavi, Professor am Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik hat eine schwerwiegende Schwachstelle bestimmter CPUs (central processing units, also Zentrale Recheneinheiten) aufgedeckt.

Bei dieser Schwachstelle kann ein Angreifer so etwas wie eine Idee in die Ziel-CPUs einpflanzen und diese dazu bringen, bestimmte Anweisungen auszuführen. Dadurch können sensible Informationen abgegriffen werden. Razavi und seine Kolleg:innen stellten ihre Erkenntnisse diese Woche auf der Konferenz Usenix Security 2023 vor.

Ein komplexer Angriff

Razavis Forschungsartikel enthält Namen, die eher an James Bond- und Katastrophenfilme erinnern – Spectre und Meltdown haben einen Auftritt -, doch der Grossteil des Artikels ist hochkomplexe Computerwissenschaft. «In der Tat ist der Inception-Angriff wie der gleichnamige Film besonders kompliziert und schwer zu erklären», sagt Masterstudent Daniël Trujillo, der diesen neuen Angriff während seiner Abschlussarbeit unter der Leitung von Doktorand Johannes Wikner in der Arbeitsgruppe von Razavi fand. «Dennoch geht es bei all diesen Angriffen im Kern um eine simple Sache: dass die CPU eines Computers ständig Vermutungen anstellen muss, und diese Vermutungen können manipuliert werden», ergänzt Wilkner.

In modernen Computern braucht es Vermutungen, da die CPU während der Ausführung eines Programms – etwa eines Spiels oder Browsers – pro Sekunde Hunderte von Millionen Entscheidungen treffen muss. An bestimmten Punkten der Ausführung kann die nächste Anweisung von einer Wahl abhängen, die auf Informationen beruht, welche erst aus dem Datenspeicher des Computers geladen werden müssen.

CPUs sind in den letzten Jahren unglaublich schnell geworden, aber die Geschwindigkeit, mit der Daten vom Speicher (DRAM) in die CPU überspielt werden können, hat mit dieser Beschleunigung nicht Schritt gehalten. Die CPU müsste einen Grossteil ihrer Zeit damit verbringen, auf frische Daten zu warten, um eine Entscheidung zu treffen.

Beschleunigung durch Vermutungen

Hier kommen die Vermutungen ins Spiel: Aufgrund von Erfahrungen aus der Vergangenheit erstellt die CPU eine Art Zuordnungstabelle (look-up table) und benutzt diese, um den wahrscheinlichsten nächsten Schritt zu erraten und diesen dann auszuführen. In den meisten Fällen liegt die CPU dabei richtig und kann so eine Menge kostbarer Rechenzeit sparen. Hin und wieder liegt sie mit ihrer Vermutung aber auch daneben, und solche Fehlvorhersagen können von einem Angreifer ausgenutzt werden, um Zugang zu sensiblen Informationen zu bekommen.

«Der Spectre-Angriff, der 2018 entdeckt wurde, beruht auf solchen Fehlvorhersagen», sagt Razavi, «aber es sah zunächst so aus, als hätten die Hersteller Wege gefunden, um diese abzumildern.» Tatsächlich haben Chiphersteller Funktionen bereitgestellt, mit denen die Zuordnungstabellen teilweise gelöscht werden, wenn der Sicherheitskontext geändert wird (das heisst, wenn auf den empfindlichen Betriebssystemkern zugegriffen wird), oder die ein Bit an Information hinzufügen, das der CPU anzeigt, ob eine Vorhersage in der Tabelle im Kern erzeugt wurde und damit vertrauenswürdig ist.

Eine Idee in die CPU pflanzen

Dennoch probierten Razavi und seine Mitarbeitenden, ob man trotz der neuen Sicherheitsvorkehrungen einen Angriff starten könnte. Nach langer Suche stiessen sie schliesslich auf etwas Seltsames: «Es sah so aus, als könnten wir von AMD hergestellte CPUs glauben machen, sie hätten bestimmte Anweisungen schon einmal gesehen, obwohl das in Wirklichkeit nie passiert war», sagt Trujillo. Genau wie im Film «Inception» konnten die Forschenden eine Idee in die CPU einpflanzen, während diese in gewisser Weise träumte.

Das hatte zur Folge, dass die Zuordnungstabelle – welche die CPU ständig aus früheren Anweisungen zusammenstellt – erneut manipuliert werden konnte. Da die CPU überzeugt war, dass die Einträge in der Tabelle von zuvor gesehenen Anweisungen stammten, konnte die Sicherheitsvorkehrung, die dafür sorgen soll, dass die CPU nur vertrauenswürdige Vorhersagen berücksichtigt, umgangen werden. Auf diese Weise konnten die ETH-Forschenden Daten von einer beliebigen Stelle im Speicher des Computers abgreifen – auch sensible Informationen wie zum Beispiel die verschlüsselte Version des Root-Passworts.

Ernste Schwachstelle

Dies ist eine sehr ernste Sicherheits-Schwachstelle, und so informierte Razavi im Februar 2023 AMD, um dem Hersteller genug Zeit zu geben, einen Sicherheits-Patch bereitzustellen, bevor die Forschungsarbeit veröffentlicht wurde (AMD vergab für diese Schwachstelle die Nummer CVE-2023-20569). «Wir haben dieses Konzept einer neuen Klasse gefährlicher Angriffe aufgezeigt, das vor allem im Zusammenhang mit dem Cloud-Computing relevant ist, bei dem sich mehrere Kunden eine Hardware teilen», sagt Razavi. «Es wirft zudem Fragen für die Zukunft auf.» So will er zum Beispiel herausfinden, ob es andere, ähnliche Angriffe gibt und ob eine Art Inception-Angriff auch bei CPUs anderer Hersteller möglich ist.