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Sgx-Step：针对英特尔Intel SGX平台的渗透测试攻击框架

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摘要：受信任的执行环境（如Intel SGX）可以确保在网络受到攻击或入侵时，目标计算机不会受到影响。本文介绍的SGX-Step是一个针对Intel SGX平台的开源渠道攻击研究框架。

SGX-Step由Linux内核驱动程序和用户空间库组成，这将使我们能够配置不受信任的页表条目，并完全从用户空间环境（Enclave）中断x86 APIC计时器。我们从指令级粒度提出并评估一种改进的单步Enclave执行技术，并演示SGX-Step如何执行多种高级攻击。

与以前的Enclave抢占方案不同，SGX-Step设计的关键是保存页表条目的物理内存位置，以及本地APIC内存映射的I / O配置寄存器和x86中断描述符表（IDT）。这将允许不受信任的主机进程（攻击者控制）轻松地（i）跟踪或修改Enclave页表条目，（ii）为APIC计时器配置一次性/定期中断源，（iii）触发内部处理器中断，（Iv）和在用户空间中完全注册自定义中断处理程序。

下图显示了当我们的框架中断并恢复SGX Enclave时的硬件和软件操作步骤：

1.本地APIC计时器中断到达加密指令。

2.处理器执行AEX进程，该进程将执行上下文安全地存储在安全区的SSA帧中，初始化CPU寄存器，并将向量存储到IDT中注册的（用户空间）中断处理程序中。

3.此时，可以轻松插入任何特定于攻击的间谍代码。

4.代码库将返回到用户空间AEP。我们修改了官方SGX SDK的不受信任的运行时环境，以轻松注册自定义AEP存根。

5.接下来，在执行（6）ERESUME之前，我们通过写入初始计数MMIO寄存器为下一个中断配置本地APIC计时器。

项目建设和运行

SGX-Step需要使用SGX-capabel Intel处理器和Linux内核。我们将其升级到i7-6500U / 6700 CPU，它可以在Ubuntu 16.04（内核版本4.15.0）平台上运行。相关的Linux内核参数如下：

Linux内核参数功能

nox2apic以内存映射的I / O模式配置本地APIC设备（以利用SGX-Step的精确单步执行）。

iomem =宽松，no_timer_check过滤内核日志中不需要的警告消息。

isolcpus = 1将目标进程与一个独立的CPU内核关联。

dis_ucode_ldr禁用CPU微代码更新。

我们可以通过以下方式将相应的启动参数传递给内核以执行：

$ sudo vim /etc/default/grub

# GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash nox2apic iomem=relaxed no_timer_check isolcpus=1"

$ sudo update-grub && sudo reboot

最后，为了重现我们的研究结果，请确保在BIOS中禁用了C状态和SpeedStep技术。下表列出了该工具当前支持的Intel CPU以及相应的单步APIC计时器间隔（libsgxstep / config.h）：

模块名称CPU 频率APIC计时器间隔

Skylake i7-6700 3.4 GHz19

Skylake i7-6500U 2.5 GHz25

Skylake i5-6200U 2.3 GHz28

Kaby Lake Ri7-8650U 1.9 GHz 34

Coffee Lake Ri9-9900K 3.6 GHz21

1.修复并安装SGX SDK

为了启用和注册自定义AEP存根，我们修改了官方Intel SGX SDK的不受信任的运行时环境：

$ git submodule init

$ git submodule update

$ ./install_SGX_driver.sh # tested on Ubuntu 16.04

$ ./patch_sdk.sh

$ ./install_SGX_SDK.sh # tested on Ubuntu 16.04

2.构建并加载/ dev / sgx-step

SGX-Step带有可加载的内核模块，并支持导出IOCTL接口。运行以下命令来构建和加载/ dev / sgx-step驱动器：

$ cd kernel

$ make clean load

3.构建并运行测试应用程序

$ cd app/bench

$ NUM=100 STRLEN=1 make parse # alternatively vary NUM and use BENCH=1 or ZIGZAG=1

$ # (above command defaults to the Dell Inspiron 13 7359 evaluation laptop machine;

$ # use DESKTOP=1 to build for a Dell Optiplex 7040 machine)

$ # use SGX_SDK=/home/jo/sgxsdk/ for a local SDK installation

$ # use M32=1 To produce a 32-bit executable

在您的项目中使用SGX-Step

如果要在项目中使用SGX-Step，最简单的方法是使用git子模块：

$ cd my/git/project

$ git submodule add [email protected]:jovanbulck/sgx-step.git

$ cd sgx-step # Now build `/dev/sgx-step` and `libsgxstep` as described above

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