Удобные средства удалённого управления спасают системным администраторам много сил — и одновременно представляют собой огромную угрозу безопасности в том случае, когда их нельзя отключить аппаратно с помощью джампера или переключателя на системной плате. Блок Intel Management Engine 11 в современных платформах Intel представляет собой именно такую опасность — изначально он неотключаем и, более того, на него завязаны некоторые механизмы инициализации и функционирования процессора, так что грубая деактивация может просто привести к полной неработоспособности системы. Уязвимость кроется в технологии Intel Active Management Technology (AMT) и при удачной атаке позволяет получить полный контроль над системой, о чём было рассказано ещё в мае этого года. Но исследователям из Positive Technologies .

Сам процессор IME является частью микросхемы системного хаба (PCH). За исключением процессорных слотов PCI Express, всё общение системы с внешним миром проходит именно через PCH, а значит, IME имеет доступ практически ко всем данным. До версии 11 атака по этому вектору была маловероятна: процессор IME использовал собственную архитектуру с набором команд ARC, о которой было мало что известно сторонним разработчикам. Но в 11 версии с технологией сыграли плохую шутку: она была переведена на архитектуру x86, а в качестве ОС применили доработанный MINIX, а значит, сторонние исследования бинарного кода существенно упростились: и архитектура, и ОС неплохо документированы. Российским исследователям Дмитрию Склярову, Марку Ермолову и Максиму Горячему удалось расшифровать исполняемые модули IME 11 версии и начать их тщательное изучение.

Технологии Intel AMT присвоена оценка уязвимости 9,8 из 10 баллов. К сожалению, полное отключение IME на современных платформах невозможно по вышеописанной причине — подсистема тесно связана с инициализацией и запуском ЦП, а также управлением энергопотреблением. Но из образа флеш-памяти, содержащего модули IME, можно удалить всё лишнее, хотя сделать это очень сложно, особенно в версии 11. Активно развивается проект me_cleaner , утилита, позволяющая удалить общую часть образа и оставить только жизненно необходимые компоненты. Но приведём небольшое сравнение: если в версиях IME до 11 (до Skylake) утилита удаляла практически всё, оставляя примерно 90 Кбайт кода, то в настоящее время необходимо сохранить около 650 Кбайт кода — и то в некоторых случаях система может отключиться через полчаса, поскольку блок IME переходит в режим восстановления.

Подвижки, однако, имеются. Вышеупомянутой группе исследователей удалось воспользоваться комплектом разработчика, который предоставляется самой Intel и включает в себя утилиты Flash Image Tool для настройки параметров IME и прошивальщик Flash Programming Tool, работающий через встроенный SPI-контроллер. Intel не выкладывает эти программы в открытый доступ, но найти их в сети не представляет особого труда.

Полученные с помощью этого комплекта XML-файлы были подвергнуты анализу (они содержат структуру прошивки IME и описание механизма PCH strap). Один бит под названием «reserve_hap» (HAP) показался подозрительным из-за описания «High Assurance Platform (HAP) enable». Поиск в сети показал, что это название программы по созданию платформ высокой доверенности, связанная с АНБ США. Задействование этого бита показало, что система перешла в режим Alt Disable Mode. Блок IME не отвечал на команды и не реагировал на воздействия из операционной системы. Имеется и ряд более тонких нюансов, которые можно узнать в статье на Habrahabr.ru , но в новой версии me_cleaner уже реализована поддержка большей части опасных модулей без установки бита HAP, что вводит движок IME в состояние «TemporaryDisable».

Последняя модификация me_cleaner оставляет даже в 11-ой версии IME только модули RBE, KERNEL, SYSLIB и BUP, в них не найдено кода, позволяющего включить саму систему IME. В дополнение к ним можно использовать и бит HAP для полной уверенности, что утилита также умеет делать. Intel ознакомлена с результатами исследований и подтвердила, что ряд настроек IME действительно связан с потребностями государственных организаций в средствах повышенной безопасности. Введены эти настройки были по просьбе правительственных клиентов США, они прошли ограниченную проверку и официально такие конфигурации компанией Intel не поддерживаются. Компания также отрицает внедрение в свои продукты так называемых бэкдоров.

Давным-давно, когда персональные компьютеры закупались за границей партиями из нескольких сотен штук, а не миллионными "тиражами", под эгидой одного из ведомств КГБ были организованы небольшие коммерческие конторки для "поиска закладок". Сейчас мы все прекрасно понимаем, что это был один из честных способов отъёма денег, ибо на том уровне обеспечения и организации найти можно было всё что угодно, но только не закладку в составе чипов. Но крупным покупателям из числа госконтор и предприятий всё равно деваться было некуда. Платили.

реклама

Сегодня компания Intel даже не скрывает, что в процессорах и чипсетах современных компьютерных платформ встроены инструменты для удалённого управления ПК. Широко разрекламированная технология Intel Active Management Technology (AMT) должна помочь упростить удалённое обслуживание системы - диагностику и восстановление - без участия пользователя. Но никто не застрахован, что воспользоваться правами администратора AMT можно также в зловредных целях и, как выясняется, там не просто закладка, там целая "закладище".

Согласно публикации специалиста по безопасности Дэмиена Заммита (Damien Zammit), в современных чипсетах Intel существует встроенный локальный и изолированный от других блоков чип-микроконтроллер Intel Management Engine (Intel ME). Это решение со своей прошивкой, недоступной для изучения сторонними средствами и с правами полного контроля над процессором, памятью и системой в целом. Причём контроллер может работать с выключенным ПК, лишь бы питание подавалось на память. Само собой, операционная система и утилиты ни сном, ни духом не будут знать о деятельности контроллера и не будут бить тревогу во время его работы с системой и данными.

Поиск электронных устройств перехвата информации с использованием индикаторов электромагнитного поля

КУРСОВАЯ РАБОТА

Специальность «10.02.01 Организация и технология защиты информации»

Выполнил: Шевченко Константин Павлович

студент группы № 342

_______________/_____________/

подпись Ф.И.О.

«____» ___________2016 г.

Проверил:

Преподаватель

_______________/С.В. Лутовинов/

подпись Ф.И.О.

«____» ___________2016 г.

Томск 2016 г.

Введение. 3

Виды закладок. 4

Акустические закладки . 4

Телефонные закладки . 7

Аппаратные закладки . 8

Индикаторы электромагнитного поля. 10

Радиочастотомеров. 13

Сканерные приемники и анализаторы спектра. 14

Программно-аппаратные и специальные комплексы контроля. 16

Система обнаружения излучений. 17

Средства контроля проводных линий. 18

Нелинейные локаторы и металлоискатели. 20

Обнаружение закладок. 21

Заключение. 22

Литература. 23

Введение

Информация давно перестала быть личной. Она приобрела ощутимую стоимостный вес, который четко определяется реальной прибылью, получаемой при ее использовании, или размерами ущерба, с разной степенью вероятности наносимого владельцу информации. Однако создание информации порождает целый ряд сложных проблем. Одной из таких проблем является надежное обеспечение сохранности и установленного статуса информации, циркулирующей и обрабатываемой в информационно-вычислительных системах и сетях. Данная проблема вошла в обиход под названием проблемы защиты информации.

Специальная проверка - это комплекс инженерно-технических мероприятий, проводимых с использованием контрольно-измерительной аппаратуры, в том числе и специализированных технических средств, направленных на исключение перехвата технической информации, содержащей сведения, составляющие государственную тайну, личные, с помощью внедренных в защищаемые технические средства и изделия специальных электронных закладочных устройств.

Цель курсовой работы: познакомиться с основами и средствами поиска электронных устройств перехвата информации с использованием индикаторов электромагнитного поля в теории и практике.

Виды закладок

Акустические закладки - это специальные миниатюрные электронные устройства перехвата акустической (речевой) информации, скрытно устанавливаемые в помещениях или машинах. Перехватываемая акустическими закладками информация может передаваться по радио или оптическому каналу, по электросети переменного тока, по телефонной линии, а также по металлоконструкциям зданий, трубам систем отопления и водоснабжения и т.д.

Рис. 1. Акустическая радиозакладка

Наиболее широко используются акустические закладки, передающие информацию по радиоканалу. Такие устройства часто называют радиозакладками. В зависимости от среды распространения акустических колебаний, радиозакладки, подразделится на акустические радиозакладки и радиостетоскопы .

Акустические радиозакладки предназначены для перехвата акустических сигналов по прямому акустическому (воздушному) каналу утечки информации. Чувствительным элементом в них является, как правило, электретный микрофон.

Рис. 2. Радиостетоскоп

Радиостетоскоп предназначен для перехвата акустических сигналов, распространяющихся по виброакустическому (стены, потолки, полы, трубы водоснабжения, отопления, вентиляции и т.п.) каналу утечки. В качестве чувствительных элементов в них обычно используются пьезомикрофоны или датчики акселерометрического типа. С целью увеличения времени работы эти акустические закладки могут оборудоваться системами управления включением радиопередатчика от голоса, а также системами дистанционного управления. Для приема информации, передаваемой радиозакладками и радиостетоскопами, применяются сканерные приемники и программно-аппаратные комплексы контроля.

Кроме закладок, осуществляющих передачу информации по радиоканалу, существуют закладки, в которых для передачи информации применяются линии электропитания сети 220 В. Такие акустические закладки называются сетевыми . Для перехвата информации, передаваемой сетевыми закладками, используются специальные приемники, подключаемые к силовой сети в пределах здания.

На практике возможно также применение акустических закладок, осуществляющих передачу информации по линиям систем охранной и пожарной сигнализации, а также телефонным линиям. Наиболее простым устройством, осуществляющим передачу информации по телефонной линии, является так называемое устройство «телефонное ухо» (рис.3).

Рис. 3. Телефонное ухо ТУ-2

Телефонные закладки предназначены для подслушивания информации, передаваемой по телефонным линиям связи. Обычно выполняются в виде отдельного модуля или маскируются под элементы телефонного аппарата, телефонный штекер или розетку.

Для перехвата информации в таких закладках используются два способа: контактный и бесконтактный способы. При контактном способе информация снимается путем непосредственного подключения к контролируемой линии. При бесконтактном способе съем информации осуществляется с помощью миниатюрного индукционного датчика, что исключает возможность установления факта подслушивания информации.

Передача информации с помощью телефонной закладки начинается в момент поднятия трубки абонентом.

Рис. 4. Телефонная закладка

Аппаратные закладки - это электронные устройства, незаконно и скрытно установленные в технические средства обработки и передачи информации (ЭВМ) с целью обеспечить в нужный момент времени утечку информации, нарушение ее целостности или блокирование. Выполнены в виде стандартных модулей, используемых в ЭВМ, с небольшими доработками. Как правило размещаются в ЭВМ при осуществлении сборки ЭВМ по заказу интересующего предприятия, а также при устранении неисправностей или доработках, проводимых в период сервисного или гарантийного обслуживания.

Рис. 5. Аппаратная закладка

С помощью аппаратных закладок возможен перехват данных, например, данные ввода-вывода персонального компьютера: изображение монитора; данные, вводимые с клавиатуры, отправленные на принтер, записываемые на внутренние и внешние носители.

Помимо акустических, телефонных и аппаратных закладок для несанкционированного съема информации могут быть использованы портативные устройства видеозаписи.

Трансляция с видеокамер может быть непосредственно записана на видеомагнитофон, либо передана по радиоканалу с использованиемс использованием специальных передатчиков. Если помимо видеоизображения требуется передача звука, то совместно с видеокамерой устанавливается микрофон. Как правило, передатчики видеоизображения выполняются в виде отдельного блока, при этом имея небольшие размеры и вес. Но нередки случаи, когда они конструкционно объединяются с телевизионными камерами (рис 5).

Рис. 6. Видеопередатчик

Питание видеокамер и передатчиков осуществляться либо от встроенных аккумуляторов, при этом время работы, как правило, не превышает несколько часов, либо от электросети 220 В, при этом время их работы практически не ограничено.

Я не профессионал в области информационной безопасности, моя область интересов - это высокопроизводительные вычислительные комплексы. В тему ИБ я пришел совершенно случайно, и именно об этом дальше пойдет речь. Думаю, эта невыдуманная история гораздо лучше осветит проблемы, связанные с аппаратурой виртуализации, нежели сухое изложение фактов. Еще до официального анонса новых процессоров Intel с поддержкой аппаратной виртуализации (в начале 2007 года) я задумал использовать эти чипы для создания единой вычислительной системы на базе нескольких серверов, которая стала бы для ОС и прикладных программ единой вычислительной установкой с SMP-архитектурой. Для этого требовалось написать компактный гипервизор с нестандартным функционалом, главной особенностью которого было бы не разделение ресурсов единой вычислительной установки между разными ОС, а наоборот, объединение ресурсов нескольких вычислительных машин в единый комплекс, которым бы управляла одна ОС. При этом ОС не должна была даже догадываться, что имеет дело не с единой системой, а с несколькими серверами. Аппаратура виртуализации предоставляла такую возможность, хотя изначально не предназначалась для решения подобных задач. Собственно, система, в которой аппаратура виртуализации применялась бы длявысокопроизводительных вычислений, не создана до сих пор, а уж в то время я вообще был первопроходцем в этой области. Гипервизор для этой задачи, конечно, писался с нуля. Принципиально важно было запускать ОС уже на виртуализированной платформе, чтобы с первых команд загрузчика ОС все работало в виртуальной среде. Для этого пришлось виртуализировать реальную модель и все режимы работы процессора и запускать виртуализацию сразу после инициализации платформы до загрузки ОС. Поскольку система виртуализации для этой цели получилась нестандартной и выглядела как полностью автономный компактный программный модуль (объем кода не более 40–60 Кб), язык как-то не поворачивался называть ее гипервизором, и я стал использовать термин "гипердрайвер", поскольку он более точно передавал суть функционального предназначения системы. Серийного оборудования с аппаратурой виртуализации в то время еще не было, однако благодаря сотрудничеству с фирмой "Крафтвей" я имел доступ к предсерийным образцам процессоров и материнских плат с поддержкой виртуализации, которые еще не выпускались официально (так называемым сэмплам, которые фирма Intel любезно предоставляет своим партнерам по бизнесу). Поэтому работа закипела на этом "сэмпловом" оборудовании. Макет был собран, гипердрайвер написан, все заработало, как и было задумано. Нужно сказать, что на тот момент аппаратура виртуализации было очень "сырой", из-за чего она не один раз отказывалась работать так, как написано в документации. Приходилось разбираться буквально с каждой ассемблерной командой, а сами команды для аппаратуры виртуализацииписать в машинных кодах, поскольку тогда не существовало компиляторов с поддержкой команд виртуализации. Я гордился полученными результатами, чувствовал себя чуть ли не властелином виртуальных миров… но моя эйфория продлилась недолго, всего месяц. К тому времени я уже собрал макет на основе серверов с аппаратурой виртуализации, первые серийные образцы которых тогда как раз появились, но макет не работал. Я начал разбираться и понял, что моя система виснет при выполнении команд аппаратной виртуализации. Создавалось такое впечатление, что они или совсем не работают, или работают как-то нестандартно. Зависание происходило только во время работы аппаратуры виртуализации в реальном режиме, если же моя система запускалась из защищенного режима, после загрузки ОС, то все было нормально. Профессионалы знают, что в первых ревизиях аппаратура виртуализации Intel не поддерживала работу процессора в реальном режиме. Для этого требовался дополнительный слой достаточно большого объема для эмуляции виртуального х86. Поскольку гипердрайвер запускался до загрузки операционной системы, чтобы она могла полностью поверить в новую виртуальную конфигурацию, то небольшой кусок загрузочного кода ОС выполнялся в реальном режиме работы процессора. Система умирала как раз на обработчиках эмуляции реального режима в гипердрайвере. Сначала я подумал, что где-то ошибся, что-то не понял, о чем-то забыл. Проверил все до последнего бита в своем коде, никаких ошибок не нашел и начал грешить уже не на себя, а на коллег из-за бугра. Первым делом заменил процессоры, но это не помогло. На материнских платах в то время аппаратура виртуализации была только в биосе, где она инициализировалась во время включения сервера, поэтому я начал сравнивать биосы на материнских платах (однотипных платах с сэмплами) - все совпадало до байта и номера самого биоса. Я впал в ступор и, уже не зная, что делать, применил последнее средство - "метод тыка". Чего я только не делал, уже не думая, а просто комбинируя, и в конце концов тупо скачал биосы с официального сайта Intel и переписал их заново в материнские платы, после чего все заработало… Моему удивлению не было предела: номер биоса был тем же самым, образы биоса совпадали побайтно, но по какой-то причине серийные материнские платы заработали только тогда, когда я залил в них такой же биос, взятый сайта Intel. Значит, причина все-таки в материнских платах? Но единственное их отличие было в маркировке: на сэмплах было написано Assembled Canada, а на серийных платах - Assembled China. Стало ясно, что платы из Китая содержат дополнительные программные модули, прошитые в биосе, а стандартные программы анализа эти модули не увидели. Они, видимо, тоже работали с аппаратурой виртуализации и, соответственно, имели возможность скрыть истинное содержимое биоса. Стала понятна и причина зависаний моего гипердрайвера на этих китайских платах: две программные системы одновременно работали с одной и той же аппаратурой виртуализации, которая не позволяла разделять свои ресурсы. Мне захотелось разобраться с этим зловредным биосом, причем без всякой задней мысли о "закладках", "бэкдорах", "недокументированных возможностях", был просто академический интерес, и не более того. Нужно сказать, что параллельно с внедрением аппаратуры виртуализации Intel радикально обновила чипсет. Этот чипсет, получивший номер 5000х, выпускается в нескольких модификациях до сих пор. Южный мост этого чипсета, 631xESB/632xESB I/O Controller Hub, к которому подключены флеш-микросхемы с биосом, практически в неизменном виде выпускается с 2007 года и используется в качестве базового чипа почти для всех серверов в двухсокетном исполнении. Я скачал даташит на южный мост, прочел описание и просто обалдел. Оказывается, к этому новому южному мосту подключаются три микросхемы флеш-памяти: первая представляет собой стандартный биос, вторая выделена под программы процессора сетевого контроллера, а третья предназначена для интегрированного в южный мост блока ВМС. Блок менеджмента системы (ВМС) - это средство удаленного управления вычислительной установкой и ее мониторинга. Он незаменим для больших серверных комнат, где из-за шума, температуры и сквозняков просто невозможно долго находиться. То, что блоки ВМС имеют собственный процессор и, соответственно, флеш-память для его программ, конечно, не новость, но до сих пор такие процессор и память выносились на отдельную плату, которая подключалась к материнской плате: хочешь - ставь, не хочешь - не ставь. Теперь Intel внедрила эти компоненты в южный мост, более того, подключила этот блок к системной шине и не стала использовать выделенный сетевой канал (как предусмотрено стандартом IPMI, описывающим функции блока ВМС) для работы сервисной сети, а туннелировала весь сервисный сетевой трафик в основные сетевые адаптеры. Далее я узнал из документации, что программы на флеш-микросхеме блока ВМС зашифрованы, а для их распаковки используется специальный аппаратный криптографический модуль, также интегрированный в южный мост. Такие блоки ВМС мне раньше не попадались. Чтобы не быть голословным, привожу выдержку из документации на этот южный мост:

• ARC4 processor working at 62.5 MHz speed.
• Interface to both LAN ports of Intel® 631xESB/632xESB I/O Controller Hub allowing direct connection to the net and access to all LAN registers.
• Cryptographic module, supporting AES and RC4 encryption algorithms and SHA1 and MD5 authentication algorithms.
• Secured mechanism for loadable Regulated FW.

Применение иностранных криптографических средств с длиной ключа более 40 бит запрещено на территории России законодательно, а тут - пожалуйста! - в каждом сервере Intel криптомодуль с неизвестными ключами длиной 256 бит. Более того, эти ключи использовались для шифрования программ, зашитых в микросхемы материнской платы на этапе производства. Выходит, что блоки ВМС в России на серверах Intel, которые имеют в своем составе чипсет 5000х, должны быть отключены. Однако эти блоки, напротив, всегда находятся в рабочем состоянии, даже если сама вычислительная установка отключена (для функционирования ВМС достаточно дежурного напряжения, то есть вставленного в розетку кабеля питания сервера). Все это казалось мне на тот момент второстепенным, поскольку для начала нужно было выяснить, в какой из флеш-микросхем находился программный модуль, работающий с аппаратурой виртуализации и мешающий моему гипердрайверу, и я начал экспериментировать с прошивками. После ознакомления с документацией я насторожился, а когда обнаружил, что работоспособность гипердрайвера восстанавливается как раз после перепрошивки флеш-микросхемы блока ВМС, даже не удивился. Разбираться дальше без специальных стендов было невозможно, так как криптография полностью перекрывала возможности реверса кода для ВМС. Документации на внутреннюю архитектуру этого интегрированного ВМС я не нашел, в даташите на южный мост Intel описала только интерфейсные регистры для управления этим блоком по стандартным методам доступа, в результате чего получился классический "черный ящик". Совокупность фактов настораживала и наводила на параноидальные мысли в стиле шпионских детективов. Эти факты однозначно говорили о следующем:

• В новых серийных серверных платах Intel на базе чипсета 5000 имеются программы, прошитые в флеш-памяти блока ВМС и исполняемые на центральном процессоре, причем эти программы работают с использованием аппаратуры виртуализации центрального процессора.
• Образы флеш-памяти с официального сайта Intel не содержат таких программных модулей, следовательно, мешающие мне программные модули были нелегально прошиты в материнские платы на этапе производства.
• Флеш-память блока ВМС содержит зашифрованные программные модули, которые невозможно собрать и залить в флеш-память без знания ключей шифрования, следовательно, тот, кто вставил эти нелегальные программные модули, знал ключи шифрования, то есть имел доступ фактически к секретной информации.

Я сообщил руководству "Крафтвей" о проблеме с прошивкой флеш-памяти блока ВМС и сомнительной с точки зрения законодательства ситуации с новыми чипсетами Intel, на что получил вполне ожидаемый ответ в стиле "не мути, мешаешь бизнесу". Пришлось угомониться, поскольку против работодателей особо не попрешь. Руки были связаны, но "мои мысли, мои скакуны" не давали мне покоя, было непонятно, зачем эти сложности и как все это сделано. Если у тебя есть возможность разместить собственное ПО в памяти блока ВМС, зачем тебе вся эта морока с центральным процессором? Разумной причиной могло быть только то, что решаемая задача требовала контролировать текущий вычислительный контекст на центральном процессоре. Очевидно, что уследить за обрабатываемой информацией на основной вычислительной системе, используя только периферийный низкоскоростной процессор с частотой 60 МГц, невозможно. Таким образом, похоже, задача этой нелегальной системы состояла в съеме информации, обрабатываемой на основной вычислительной установке, с помощью средств аппаратуры виртуализации. Дистанционно управлять всей нелегальной системой, конечно, удобнее с процессора блока ВМС, поскольку он имеет собственный независимый доступ к сетевым адаптерам на материнской плате и собственные МАС- и IP-адреса. Вопрос "как это сделано?" имел более академический характер, поскольку кто-то умудрился создать гипервизор, умеющий разделять ресурсы аппаратуры виртуализации с другим гипервизором и делающий это корректно для всех режимов, кроме реального режима работы ЦП. Сейчас такими системами уже никого не удивишь, но тогда, пять лет назад, они воспринимались как чудо, кроме того, скорость эмуляции поражала - программно эмулировать хост без значительных потерь в быстродействии было невозможно. Для пояснения придется немного углубиться в теорию. Архитектура систем виртуализации Intel и AMD не предполагает наличия на платформе сразу нескольких гипервизоров, однако запущенный первым гипервизор может эмулировать для гипервизоров, которые запускаются после, работу на реальном оборудовании виртуализации. В этом случае все гипервизоры, запущенные вслед за первым, работают в эмулируемой среде хоста. Этот принцип я называю "правом первой ночи". Его можно легко реализовать с помощью специальных обработчиков в корневом хосте, при этом режим задачи существенно не изменится, а хосты вторичных гипервизоров будут выполняться в режиме задачи для корневого хоста. Режим эмуляции организовать не сложно, однако с быстродействием возникают проблемы. Аппаратура виртуализации работает в основном с блоком VMCB (VMCS), программы хоста постоянно обращаются к этому блоку, а на каждое такое обращение требуется 0,4–0,7 мкс. Скрыть такую программную эмуляцию хоста для системы виртуализации Intel практически невозможно, слишком много команд виртуализации придется эмулировать программно через выходы в корневой хост, вместо того чтобы выполнять их на реальном оборудовании. Расскажу немного о различиях между архитектурами виртуализации. Системы аппаратной виртуализации от Intel и AMD совершенно не похожи друг на друга. Главное архитектурное отличие этих систем состоит в режиме работы хоста. В системе AMD хост работает с отключенной аппаратурой виртуализации, то есть его программы выполняются на реальном процессоре. Виртуализация вторичного хоста в системах от AMD требует виртуализации только команды VMRUN (можно считать, что других команд нет). Работа с управляющим VMCB-блоком в архитектуре AMD происходит через обычные команды обращения к оперативной памяти, что позволяет контролировать с помощью вторичного хоста только выполнение команд VMRUN и подправлять при необходимости VMCB-блок перед реальным входом в режим задачи. Удлинить цикл обработки события в два раза еще можно, и на платформе AMD такая эмуляция жизнеспособна. В системе виртуализации Intel все гораздо сложнее. Для доступа к VMCB-блоку используются специальные команды VMREAD и VMLOAD, которые нужно обязательно виртуализировать. Обычно обработчики хоста десятки, если не сотни раз обращаются к полям VMCB-блока, и каждую такую операцию нужно эмулировать. При этом заметно, что скорость падает на порядок, это очень неэффективно. Стало ясно, что для эмуляции неизвестные коллеги использовали другой, более эффективный механизм. И подсказки насчет того, какой именно, я нашел в документации. Хост у Intel сам является виртуальной средой, то есть ничем, по сути, в этом плане не отличается от среды выполнения задачи и просто управляется другим VMCB (см. схему). Кроме того, в документации описана концепция "дуального монитора" для виртуализации SMM-режима (режима системного менеджмента), когда фактически активны сразу два хоста и, следовательно, два VMСB-блока, причем хост, виртуализирующий режим системного менеджмента, контролирует основной хост как задачу, но только в точках вызова прерываний системного менеджмента. Эта совокупность косвенных фактов говорит о том, аппаратура виртуализации Intel, вероятно, имеет механизм контроля множественных вторичных хостов, управляемых корневым хостом, хотя этот механизм нигде не описан. Кроме того, моя система именно так и работала, и другого объяснения практически незаметным действиям корневого гипервизора у меня до сих пор нет. Стало еще интереснее: похоже, кто-то имел доступ к этим недокументированным возможностям и использовал их на практике. Примерно за полгода до окончания сотрудничества с "Крафтвеем" я занял позицию пассивного наблюдателя, продолжая тем не менее регулярно запускать свою систему на новых партиях серийных материнских плат из Китая и новых сэмплах. На сэмплах все продолжало стабильно работать. Когда я переходил к китайским платам, в системе возникали все новые и новые чудеса. Было похоже, что коллеги из-за рубежа активно улучшали работу своего корневого гипервизора. Последние подозрительные партии плат вели себя практически нормально, то есть первый запуск моего гипердрайвера приводил к перезагрузке системы во время старта ОС, но все последующие запуски гипердрайвера и ОС проходили без сучка и задоринки. В конце концов случилось то, чего я давно ожидал: поступила новая партия серийных материнских плат, при использовании которых мой гипердрайвер вообще не зависал. Я уже начал сомневаться в своих параноидальных подозрениях, однако новый случай укрепил их. Надо заметить, что фирма Intel активно совершенствует аппаратуру виртуализации. Если первая ревизия аппаратуры, с которой я начал работать, имела номер 7, то описываемая ситуация произошла на 11-й ревизии, то есть приблизительно за год ревизия обновлялась дважды (ревизии почему-то имеют только нечетные номера). Так вот, на ревизии с номером 11 условия выходов в хост по состоянию задачи для аппаратуры виртуализации существенно расширились, в соответствии с чем в VMCB-блоке даже было введено новое управляющее поле. Когда появились сэмпловые процессоры с этой ревизией аппаратуры виртуализации, мне захотелось испытать новые возможности на практике. Я усовершенствовал гипердрайвер за счет новых возможностей 11-й ревизии аппаратуры виртуализации, установил сэмпловый процессор на серийную плату из Китая, в которой все уже работало без замечаний, и начал отладку. Новые возможности аппаратуры никак себя не проявили, и я опять впал в прострацию, греша на сэмпловый процессор и документацию. Через некоторое время материнская плата потребовалась для другой задачи, и я, возобновив эксперименты, для подстраховки переставил процессоры с 11-й ревизией аппаратуры виртуализации на канадский сэмпл. Каково же было мое удивление, когда на этом сэмпле все заработало! Сначала я подумал, что где-то накосячил с серийной платой, поскольку новые выходы в хост не имели к материнской плате ну совершенно никакого отношения, это чисто процессорная функция. Для проверки я переставил сэмпловый процессор на серийную плату, и все опять перестало работать. Значит, я ничего не накосячил, а проблема крылась в том, что материнская плата каким-то образом влияла на новые возможности аппаратуры виртуализации процессора. С учетом моих подозрений напрашивался единственный вывод - нелегальный корневой хост коллег из-за рубежа, прошитый в флеш-памяти материнской платы, не знал о новой ревизии аппаратуры виртуализации. Когда эта неизвестная ему аппаратура начинала работать, он переставал корректно пропускать выходы из состояния задачи в мой вторичный хост через собственный обработчик событий. Уже зная, как бороться с этой напастью, я залил на серийную плату прошивку для блока ВМС с сайта Intel, включил систему в уверенности, что все сразу заработает, и снова выпадал в осадок, так как зависания остались. Это было что-то новенькое. Согласно моей теории, нелегальный гипервизор обнаглел и уверился в своей неуязвимости. Видимо, его авторы посчитали, что этап обкатки их детище прошло и маскировать неотлаженное ПО под сбой биоса больше не нужно. После того как была включена функция защиты кода инициализации от перезаписи во флеш-памяти, закладка стала практически неудалимой. Уверенности в своей правоте у меня не было, нужны были контрольные эксперименты. Пришлось изобретать собственный метод для обнаружения аппаратного гипервизора. Потом, правда, оказалось, что я изобрел велосипед. Метод позволял контролировать время выполнения системных команд, требующих обязательной эмуляции в хосте гипервизора. В качестве таймера я использовал циклический счетчик фреймов в аппаратуре USB-контроллера, а программу написал для реального режима работы, чтобы минимизировать побочные и неконтролируемые прерывания, которые маскировали истинное время выполнения системных команд. Первую проверку я провел для чистой системы на базе сэмпловых материнских плат из Канады.
Время выполнения, указанное на фото, - это некоторое условное значение, приблизительно соответствующее такту процессора. Затем я запустил тот же тест на серийной материнской плате и убедился в своих параноидальных предположениях - циклы выполнения команд существенно удлинились.
То есть во флеш-памяти блока ВМС серверных плат из Китая, выпускаемых под лейблом Intel, имелся установленный на этапе производства недекларированный программный модуль, работающий как хост гипервизора. Осталось убедить в этом окружающих. Первым делом я вышел на российского представителя Intel. Это было совсем нетрудно, поскольку сотрудники российского офиса часто появлялись в "Крафтвее". Я все рассказал и показал, однако не был уверен, что технический специалист все понял. Эти так называемые технические специалисты по уровню своей компетенции мало отличаются от менеджеров. Однако он обещал доложить обо всем руководству. Не знаю, сделал ли он это, но никакой ответной реакции от Intel так и не последовало, все ушло как в песок. Работа в "Крафтвее" к тому времени завершилась, и я начал новый проект в фирме, связанной с системами информационной безопасности. Руководитель этой фирмы, с которым я поделился своими "открытиями", принял мои слова всерьез. В связи с этим было решено выйти на руководство Центра защиты информации и спецсвязи ФСБ. Эта структура в составе ФСБ занимается обеспечением информационной безопасности в стране и регулирует деятельность государственных и коммерческих организаций, которые имеют отношение к защите информации. Она также регламентирует меры по защите информации для госструктур и коммерческих фирм, обрабатывающих секретную и конфиденциальную информацию. Фирма, в которой я в то время работал, поддерживала с Центром официальные контакты, чтобы сертифицировать и лицензировать свои коммерческие проекты, поэтому организовать встречу на уровне специалистов было достаточно просто. Предполагалось, что эксперты Центра сообщат о своем мнении руководству, и если после этого руководство сочтет нужным выслушать нас, то следующим этапом будет встреча на более высоком уровне. Встреча состоялась, я рассказал и показал все, что удалось выяснить, затем продемонстрировал наличие нелегального программного модуля на примерах плат из Канады и Китая. Кстати, тогда я в первый раз услышал и профессиональный термин "закладка", обозначающий такой модуль. Когда разговор зашел про ВМС, в глазах у коллег из Центра появилось непонимание. Пришлось проводить ликбез. По ходу дела выяснилось, что они даже не подозревали о существовании специального микропроцессора в южном мосте с выходом на сетевой адаптер и о наличии в блоке ВМС криптографического модуля, нарушающего российское законодательство. В заключение мы совершенно неожиданно услышали, что эта модель угроз уже исследована, в их отношении применяется комплекс мер противодействия, и вообще, нам закладки не страшны, поскольку наши системы не имеют выхода в интернет. Дальнейшие расспросы ни к чему не привели, все упиралось в секретность, типа, мы умные и суперграмотные, а вам ни о чем знать не положено. Однако я сильно сомневался в их технической грамотности, поскольку они просто не поняли большую часть того, что я рассказал и показал. Расстались на том, что они доложат своему начальству, а уж оно примет решение о дальнейших действиях. Чуть позже я узнал, что это за "секретный метод" обнаружения программ хоста. Причем узнал совершенно случайно, во время переговоров на фирме - лицензиате Центра, уполномоченной проверять биос на закладки. Технические специалисты этой фирмы, проводящие исследования биоса, рассказали, что его программные модули, использующие аппаратуру виртуализации, надо искать по сигнатурам команд виртуализации. Действительно, команды процессора для аппаратуры виртуализации содержат три-четыре байта и в программном коде, но кто сказал, что этот программный код они обнаружат в незашифрованном виде на флеш-микросхеме? Как они отсканируют этот код в оперативной памяти, если эти области памяти защищены аппаратно от просмотра? В общем, результат первой встречи оставил неприятный осадок, и я в самом мрачном настроении ожидал развития событий. Месяца через полтора нас пригласили уже в сам Центр защиты информации и спецсвязи, чтобы мы продемонстрировали обнаруженную нами закладку. На этот раз послушать нас собрались не рядовые сотрудники, а руководители и ведущие специалисты (по крайней мере, так они представились). Встреча превратилась в лекцию, меня внимательно слушали практически три часа, было видно, что они впервые слышат то, о чем я им рассказываю. Я перечислил новые уязвимости платформы х86, показал закладку и рассказал, как ее детектировать, ответил на множество вопросов. В конце нас поблагодарили, сказали, что тему нужно развивать в рамках специальных НИР, и на этом мы и расстались. Эйфория улетучилась, когда по неофициальным каналам до нас дошла информация, что нам просто не захотели поверить. Однако это не охладило моего желания доказать свою правоту. Как мне тогда казалось, решение лежало на поверхности: нужно было самому написать такой программный модуль закладки. Мне бы не удалось поместить закладку во флеш-память ВМС, но в основной биос запихнуть ее я вполне мог. Я решил оснастить гипервизор модулем собственной безопасности для маскировки в памяти и на флеш-микросхеме, а также заблокировать запись во флеш-микросхему, где будет размещен код закладки, после чего удалить ее получится только путем выпаивания биоса и его перепрограммирования на внешнем программаторе. Оставалось только определиться со "зловредной" функцией, которую следовало выполнять гипервизору. Я вспомнил утверждение одного из специалистов ФСБ о том, что им не страшны закладки, поскольку их системы отключены от глобальной Сети. Но информация из внешнего мира как-то должна попадать в эти защищенные локальные сети, хотя бы через одноразовые оптические диски. Таким образом, я пришел к очевидному выводу и решил анализировать входящий информационный поток в закладке средствами гипердрайвера, чтобы реализовать, так сказать, оружие судного дня, то есть использовать закладку для уничтожения вычислительной системы по внешней команде, передавая ее через входной информационный поток, стеганографически. Просканировать информационный поток скрытно, без потери быстродействия, по зубам только аппаратуре виртуализации. В какой точке сканировать, тоже понятно: на буферах ввода/вывода дисковых систем и сетевого адаптера. Сканирование буферов ввода/вывода - плевая задача для аппаратуры виртуализации. Сказано - сделано! Такой гипердрайвер размером около 20 Кб был прописан в биос материнской платы и оснащен функцией защиты от обнаружения. Он блокировал попытки его перезаписи при обновлении биоса и выполнял единственную функцию: обнулял флеш-микросхему биоса при поступлении команды на уничтожение. Сама команда для простоты реализации была зашита в текстовый файл DOC-формата в тегах настройки. Когда все было готово, руководство фирмы опять вышло на ФСБ с предложением посмотреть работу нашей собственной закладки и убедиться в том, что технологии виртуализации представляют реальную угрозу. Но посмотреть на нашу закладку в деле никто не захотел, с самого верха поступила команда (я так и не узнал, чье именно это было распоряжение) с нами больше не общаться. Главные борцы за информационную безопасность не захотели нас слушать. Тогда, уже практически ни на что не надеясь, фактически для очистки совести, мы попытались донести информацию о проблеме до пользователей систем информационной безопасности. Мы связались с "Газпромом", чтобы проинформировать специалистов компании о современных угрозах для распределенных систем управления технологическими процессами. Удалось организовать встречу с руководством службы корпоративной защиты и управления комплексными системами безопасности этой корпорации. Специально для них была подготовлена более наглядная версия закладки с упрощенным командным интерфейсом. Закладка активировалась после загрузки на компьютер текстового файла, содержимое которого включало два слова - "Газпром" и "стоп", - расположенных в произвольном порядке. После этого компьютер умирал, но не сразу, а с задержкой в пять минут. Естественно, можно было сделать задержку и на сутки, но тогда мы бы не уложились во время, отведенное для демонстрации. Сотрудники "Газпрома" посетовали на низкий уровень информационной безопасности и заявили, что это не их дело, поскольку они руководствуются требованиями и правилами, которые устанавливает ФСБ. Круг замкнулся, стало понятно, что эту монолитную систему "информационной безответственности" не пробить. За три с лишним года, которые прошли с тех пор, я ни разу не слышал, чтобы кто-нибудь говорил об аппаратуре виртуализации как об инструменте проникновения в целевые системы. Парадокс? Не думаю. Специфика темы в том, что мы узнаем только о провальных технологиях. О технологиях, которые не обнаружены, мы не знаем, а их авторы, конечно, молчат. Нужно учитывать, что надежное размещение закладок в биосе возможно только в заводских условиях. В условиях эксплуатации для этого придется ориентироваться на определенную модель материнской платы, а такие варианты не слишком интересны хакерам. Им нужна массовость, они работают, что называется, "по площадям". Однако существуют и те, кто атакует прицельно, "по-снайперски". Технологии размещения закладок в биосе, да еще и с активацией аппаратуры виртуализации, которая позволяет эффективно скрыть их, - это, конечно, удобный инструмент для таких "снайперов". Один раз их почти поймали, причем практически случайно. Думаю, сейчас этого сделать уже не удастся, да и ловить, как ты, наверное, понял, некому.

Обеспокоенность тем, что при достаточном техническом уровне противника существует опасность выполнения им скрытой модификации любого чипа. Изменённый чип станет работать в критических узлах, а внедрённый «троянский конь» или «аппаратная закладка» будут оставаться незамеченными, подрывая обороноспособность страны на самом фундаментальном уровне. Долгое время такая угроза оставалась гипотетической, однако международная группа исследователей недавно смогла реализовать её на физическом уровне.

Георг Беккер (Georg T. Becker) из университета штата Массачусетс вместе с коллегами из Швейцарии и Германии в рамках доказательства концепции создал две версии «трояна аппаратного уровня», нарушающего работу генератора (псевдо)случайных чисел (ГПСЧ) в криптографическом блоке процессоров Intel архитектуры Ivy Bridge. Создаваемые с помощью изменённого ГПСЧ криптографические ключи для любой системы шифрования окажутся легко предсказуемыми.

Наличие аппаратной закладки никак не определяется ни специально разработанными для этого встроенными тестами, ни при внешнем осмотре процессора. Как же такое могло произойти? Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к истории появления аппаратного ГПСЧ и ознакомиться с базовыми принципами его работы.

При создании криптографических систем требуется устранить возможность быстрого подбора ключей. Их длина и мера непредсказуемости непосредственно влияют на число вариантов, которые пришлось бы перебрать атакующей стороне. Длину можно задать прямо, а вот добиться уникальности вариантов ключей и их равной вероятности гораздо сложнее. Для этого во время создания ключей используют случайные числа.

В настоящее время принято считать, что за счёт только программных алгоритмов нельзя получить истинно случайный поток чисел с их равномерным хаотическим распределением по всему указанному множеству. Они всегда будут иметь большую частоту встречаемости в каких-то частях диапазона и оставаться до некоторой степени предсказуемыми. Поэтому большинство применяемых на практике генераторов чисел следует воспринимать как псевдослучайные. Они редко оказываются достаточно надёжными в криптографическом смысле.

Для снижения эффекта предсказуемости любому генератору чисел требуется надёжный источник случайного начального заполнения — random seed. Обычно в качестве него используются результаты измерений каких-то хаотических физических процессов. Например, флуктуации интенсивности световых колебаний или регистрация радиочастотного шума. Такой элемент случайности (да и весь аппаратный ГПСЧ) было бы технически удобно использовать в компактном варианте, а в идеале — сделать встроенным.

Компания Intel встраивает генераторы (псевдо)случайных чисел в свои чипы начиная с конца девяностых. Раньше их природа была аналоговой. Случайные значения на выходе получались за счёт влияния трудно прогнозируемых физических процессов — тепловых шумов и электромагнитных помех. Аналоговые генераторы было сравнительно просто реализовать в виде отдельных блоков, но трудно интегрировать в новые схемы. По мере уменьшения технологического процесса требовались новые и длительные этапы калибровки. К тому же закономерное снижение напряжение питания ухудшало соотношение сигнал/шум в таких системах. ГПСЧ работали постоянно и потребляли значительное количество энергии, а скорость их работы оставляла желать лучшего. Эти недостатки накладывали ограничения на возможные сферы применения.

Идея генератора (псевдо)случайных чисел с полностью цифровой природой долгое время казалась странной, если не абсурдной. Ведь состояние любой цифровой схемы всегда жёстко детерминировано и предсказуемо. Как внести в неё необходимый элемент случайности, если нет аналоговых компонентов?

Попытки получить желанный хаос на базе только цифровых элементов предпринимались инженерами Intel с 2008 года и увенчались успехом через пару лет изысканий. Работа была представлена в 2010 году на летнем симпозиуме VLSI в Гонолулу и произвела маленькую революцию в современной криптографии. Впервые полностью цифровой, быстрый и энергоэффективный ГПСЧ был реализован в серийно выпускаемых процессорах общего назначения.

Его первое рабочее название было Bull Mountain. Затем его переименовали в Secure Key. Этот криптографический блок состоит из трёх базовых модулей. Первый генерирует поток случайных битов с относительно медленной скоростью — 3 Гбит/с. Второй оценивает их дисперсию и объединяет в блоки по 256 бит, которые используются как источники случайного начального заполнения. После ряда математических процедур в третьем блоке с более высокой скоростью генерируется поток случайных чисел длиной 128 бит. На их основе с помощью новой инструкции RdRand при необходимости создаются и помещаются в специально отведённый регистр случайные числа требуемой длины: 16, 32 или 64 бита, которые в итоге и передаются запросившей их программе.

Ошибки в генераторах (псевдо)случайных чисел и их злонамеренные модификации причиной утраты доверия к популярным криптографическим продуктам и самой процедуре их сертификации.

По причине исключительной важности ГПСЧ для любой криптографической системы в Secure Key были встроены тесты для проверки качества генерируемых случайных чисел, а для сертификации привлекли ведущие экспертные группы. Весь блок соответствует критериям стандартов ANSI X9.82 и NIST SP 800-90. Вдобавок он сертифицирован на уровень 2 в соответствии с требованиями NIST FIPS 140-2.

До сих пор большинство работ об аппаратных троянах носило гипотетический характер. Исследователями предлагались добавочные конструкции из небольших логических цепей, которые следовало каким-то образом добавить в существующие чипы. Например, Сэмюэл Талмадж Кинг (Samuel Talmadge King) с соавторами представил на конференции LEET-08 вариант такого аппаратного трояна для центрального процессора, который предоставлял бы полный контроль над системой удалённому атакующему. Просто отправив сконфигурированный определённым образом UDP-пакет, можно было бы сделать любые изменения на таком компьютере и получить неограниченный доступ к его памяти. Однако дополнительные логические цепи сравнительно просто определить при микроскопии, не говоря уже о специализированных методах поиска таких модификаций. Группа Беккера пошла другим путём:

Вместо того чтобы подключать к чипу дополнительную схему, мы внедрили наши закладки аппаратного уровня, просто изменив работу некоторых уже имеющихся в нём микротранзисторов. После ряда попыток нам удалось выборочно изменить полярность допанта и внести желаемые модификации в работу всего криптографического блока. Поэтому наше семейство троянов оказалось стойко к большинству методов обнаружения, включая сканирующую микроскопию и сравнение с эталонными чипами».

В результате проделанной работы вместо уникальных чисел длиной 128 бит третий блок Secure Key стал накапливать последовательности, в которых различались только 32 бита. Создаваемые на основе таких псевдослучайных чисел криптографические ключи обладают очень высокой предсказуемостью и могут быть вскрыты в течение нескольких минут на обычном домашнем компьютере.

Лежащее в основе аппаратной закладки выборочное изменение удельной электрической проводимости было реализовано в двух вариантах:

1. цифровая пост-обработка сигналов от Intel Secure Key;
2. использование на побочном канале по методу табличной битовой подстановки (Substitution-box).

Последний метод более универсален и может применяться с небольшими изменениями на других чипах.

Возможность использовать встроенный ГПСЧ через инструкцию RdRand впервые появилась в процессорах Intel архитектуры Ivy Bridge. Компания Intel написала подробные руководства для программистов. В них рассказано о методах оптимальной реализации криптографических алгоритмов и даётся ссылка на описание принципов работы Secure Key. Долгое время усилия экспертов по безопасности были направлены на поиск уязвимостей в программной части. Пожалуй, впервые скрытое вмешательство на аппаратном уровне оказалось куда более опасной и вполне реализуемой на практике технологией.