Row hammer

В DRAM каждый бит данных реализуется отдельной электрической ячейкой, состоящей из конденсатора и транзистора. Заряженное или разряженное состояние конденсатора определяет, хранит ли ячейка «1» или «0» в двоичном виде. Ячейки организованы в матрицы, адресуемые по строкам и столбцам; адрес памяти разбивается на номера строки и столбца, которые подаются на соответствующие декодеры^[4][5]. При чтении вся строка переносится на строковый буфер через усилители выбора, после чего выбирается нужный бит; из-за особенностей DRAM каждое чтение деструктивно и требует последующей перезаписи значения в ячейки^[1][4][5][6].

Ячейки DRAM теряют свой заряд со временем, поэтому вся память нуждается в регулярном обновлении^[1][4]. Оперативная память подвержена так называемым «мягким ошибкам», вызываемым в том числе космическими лучами. Для повышения надёжности применяются технологии ECC — кода с исправлением ошибок, и их расширения^[7].

Эффект Row hammer был использован в ряде эксплойтов для повышения привилегий^{[2][8][9][10]}, а также теоретически возможны атаки, реализуемые через сеть^[11][12].

Существуют различия аппаратные методы предотвращения эффекта Row hammer, в том числе поддержка на уровне некоторых процессоров и типов DRAM-модулей^[13][14].

С увеличением плотности интеграции DRAM ячейки становятся меньше, содержат меньше заряда, обладают меньшим шумовым запасом и сильнее влияют друг на друга. Итогом становятся разрушительные ошибки, проявляющиеся как случайные изменения в хранимых данных. Хотя проблема известна со времён «Intel 1103», первые системные атаки стали возможны только с появлением DRAM DDR3 последних лет, когда плотность ячеек резко возросла^[1][3][15].

Причиной возникновения эффекта Row hammer является быстрое чередование активаций строк, вызывающее флуктуации напряжения на строчных линиях. Это приводит к ускоренной разрядке в конденсаторах соседних «жертвенных» строк. Если содержимое этих ячеек не было обновлено заранее, возникает разрушительная ошибка. Было показано, что после около 139 000 подряд активаций данной строки DRAM могут возникать ошибки. Вероятность ошибки зависит в том числе от паттерна битов в DRAM, но незначительно меняется с температурой^[1][2][15].

Вариант «двойного удара по строкам» активирует сразу две строки по обе стороны от жертвы, что увеличивает вероятность атаки^{[16][17]:19–20[18]}.

Со временем атаки стали более изощрёнными, обходя новые методы защиты — были предложены нерегулярные, по частоте, схемы активаций^[19]. Примером такого фреймворка является Blacksmith, позволяющий обходить стандартные защиты DDR4^[20].

Существует ряд подходов к обнаружению, предотвращению и смягчению эффекта Row hammer. Простая память c ECC «correction single error», «detect double error» не гарантирует защиту, так как возможно возникновение ошибок больше чем на 2 бита^[1][15]; целенаправленные изменения трёх бит приводят к обходу ECC^[21][22].

Менее эффективный, но распространённый подход — существенно сократить стандартный интервал обновления, что почти сводит к нулю вероятность ошибки, но приводит к повышенному энергопотреблению и нагрузке^[23]. Более «умные» методы используют анализ частоты обращений к строкам и адресуемых строк вокруг часто активируемых, для их проактивного обновления; либо — случайное обновление рядом расположенных строк, чтобы исключить целенаправленные комбинации^[1][24].

В процессорах Intel Xeon реализован механизм pTRR «pseudo-target row refresh» — совместно с поддерживаемыми модулями DDR3 он обновляет потенциальные жертвенные ряды памяти и не снижает производительность или энергопотребление, с несовместимыми модулями автоматически увеличивает частоту обновления, немного уменьшая пропускную способность памяти^[25].

Стандарт мобильной памяти LPDDR4 (JEDEC JESD209-4A)^[26] предусматривает опциональную аппаратную защиту — механизм TRR «target row refresh», не ухудшающий производительность^[27][28][29]. Некоторые производители реализуют TRR и в DDR4^[30][31], однако такая поддержка не является обязательной^[32]. TRR отслеживает количество активаций строк и их соседей в заданном временном окне, чтобы при превышении лимита маркировать ряд как возможную жертву и обновлять его^[26][33]. Тем не менее исследования показали, что TRR из DDR4 и LPDDR4X в продуктах 2019–2020 годов недостаточно защищают от Row hammer^[19].

Эксплойты Row hammer требуют огромного числа активаций строк — они реализуются путём генерации большого числа промахов кэш-памяти, что фиксируется специализированными счётчиками производительности CPU^[16][34].

С 2013 года популярная программа MemTest86, начиная с версии 5.0, включает специальный тест Row hammer, определяющий уязвимость модуля памяти; он доступен только при загрузке EFI^[35].

Механизмы защиты памяти (memory protection), обеспечивающие разграничение адресного пространства процессов, — одна из фундаментальных идей современных операционных систем и обеспечения привилегий. Использование этих механизмов ограничивает возможный ущерб от атак, локализуя их во времени и пространстве^[36][37]. Ошибки разрушения позволяют обходить такие механизмы на аппаратном уровне, что делает Row hammer уникальным для атак с возможностью изменения произвольных участков DRAM, в отличие от «классических» переполнений буфера, нацеленных на уязвимости ПО^{[2][8][17][38][39]}.

hammer:
  mov (X), %eax  // чтение из X
  mov (Y), %ebx  // чтение из Y
  clflush (X)    // сброс кэша для X
  clflush (Y)    // сброс кэша для Y
  jmp hammer

Первыми исследователями, экспериментально выявившими массовое проявление эффекта, стали Йунгу Ким и соавторы^[1]. В ходе анализа 129 модулей DDR3 от трёх производителей симптомы были обнаружены у 110 образцов; также показано, что запуск кода с пользовательскими правами способен вызвать инверсию битов в памяти целевых систем Intel и AMD.

В марте 2015 года проект «Project Zero» опубликовал два рабочих эксплойта повышения привилегий, основанных на Row hammer. Один из эксплойтов позволял выйти из sand box Google NaCl за счёт использования эффекта Row hammer; уязвимость исправлена, запретив инструкцию clflush в NaCl^{[2][8][17][38]}. Второй эксплойт позволял процессу Linux без привилегий получить полный доступ к физической памяти через внесение изменений в структуры таблиц страниц — за счёт «распыления» памяти и воздействия Row hammer^[17]. Примерно половина протестированных «Project Zero» ноутбуков (2010–2014, DDR3 non-ECC) оказалась уязвима; эффективных аппаратных мер защиты у систем без поддержки соответствующих механизмов не существует.

В июле 2015 года был представлен подход, не использующий clflush, а основанный на вытеснении из кэша через особые шаблоны доступа к памяти. Его удалось реализовать даже в чистом JavaScript — «Rowhammer.js»^{[40][41][42][43][44]}.

В 2016 году был опубликован эксплойт «DRAMMER», позволивший получить root-доступ на смартфонах под Android^[45] (CVE-2016-6728^[46]); Google выпустила исправление, но варианты реализации Row hammer трудно устранимы универсальными патчами. Существуют также предложения по изоляции DMA-буферов специальными строками-защитниками^[47][48].

Другие значимые достижения:

• 2020: атака TRRespass показала, что ряд DDR4-чипов с якобы полной защитой от Row hammer по-прежнему уязвимы при новых паттернах активации «многосторонний удар»^[49].
• 2021: Google объявила о новой атаке Half-Double, использующей физические особенности наиболее плотных чипов DRAM^[50].
• 2024: ETH Цюрих объявил о ZenHammer (Row hammer-эксплойт для AMD Zen), а также о первом успешном применении Row hammer против DDR5 SDRAM^[51][52], а затем, в июне — о проекте RISC-H для RISC-V^[53].