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Rowhammer (también escrito como row hammer o RowHammer ) es una vulnerabilidad de seguridad informática que aprovecha un efecto secundario no deseado en la memoria de acceso ale...

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Rowhammer (también escrito como row hammer o RowHammer ) es una vulnerabilidad de seguridad informática que aprovecha un efecto secundario no deseado en la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM), en la que las celdas de memoria interactúan eléctricamente entre sí, liberando sus cargas y posiblemente modificando el contenido de filas de memoria cercanas que no fueron direccionadas en el acceso original. Esta vulneración del aislamiento entre las celdas de memoria DRAM se debe a la alta densidad de celdas en la DRAM moderna y puede activarse mediante patrones de acceso a la memoria especialmente diseñados que activan rápidamente las mismas filas de memoria en repetidas ocasiones. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

El efecto Rowhammer se ha utilizado en algunos exploits de seguridad informática de escalada de privilegios , [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] y los ataques basados ​​en la red también son teóricamente posibles. [ 7 ] [ 8 ]

Existen diferentes técnicas basadas en hardware para evitar que se produzca el efecto Rowhammer, incluyendo el soporte requerido en algunos procesadores y tipos de módulos de memoria DRAM . [ 9 ] [ 10 ]

Fondo

Ilustración de alto nivel de la organización de la DRAM, que incluye celdas de memoria (cuadrados azules), decodificadores de direcciones (rectángulos verdes) y amplificadores de detección (cuadrados rojos).

En la memoria RAM dinámica (DRAM), cada bit de datos almacenado ocupa una celda de memoria independiente, implementada eléctricamente con un condensador y un transistor . El estado de carga del condensador (cargado o descargado) determina si una celda DRAM almacena un "1" o un "0" como valor binario . Un gran número de celdas de memoria DRAM se integran en circuitos integrados , junto con lógica adicional que organiza las celdas para la lectura, escritura y actualización de los datos. [ 11 ] [ 12 ]

Las celdas de memoria (cuadrados azules en ambas ilustraciones) se organizan en matrices y se direccionan mediante filas y columnas. Una dirección de memoria aplicada a una matriz se divide en la dirección de fila y la dirección de columna, que son procesadas por los decodificadores de direcciones de fila y columna (en ambas ilustraciones, rectángulos verdes verticales y horizontales, respectivamente). Después de que una dirección de fila selecciona la fila para una operación de lectura (la selección también se conoce como activación de fila ), los bits de todas las celdas de la fila se transfieren a los amplificadores de detección que forman el búfer de fila (cuadrados rojos en ambas ilustraciones), desde donde se selecciona el bit exacto utilizando la dirección de columna. En consecuencia, las operaciones de lectura son de naturaleza destructiva porque el diseño de la DRAM requiere que las celdas de memoria se reescriban después de que se hayan leído sus valores transfiriendo las cargas de las celdas al búfer de fila. Las operaciones de escritura decodifican las direcciones de manera similar, pero como resultado del diseño, se deben reescribir filas completas para cambiar el valor de un solo bit. [ 1 ] : 2–3 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Como resultado del almacenamiento de bits de datos mediante capacitores con una tasa de descarga natural, las celdas de memoria DRAM pierden su estado con el tiempo y requieren una reescritura periódica de todas las celdas de memoria, un proceso conocido como actualización. [ 1 ] : 3 [ 11 ] Como resultado adicional del diseño, la memoria DRAM es susceptible a cambios aleatorios en los datos almacenados, conocidos como errores de memoria transitorios y atribuidos a rayos cósmicos y otras causas. Existen diferentes técnicas que contrarrestan los errores de memoria transitorios y mejoran la confiabilidad de la DRAM, de las cuales la memoria con código de corrección de errores (ECC) y sus variantes avanzadas (como la memoria de paso sincronizado ) son las más utilizadas. [ 14 ]

Descripción general

Las activaciones rápidas de filas (filas amarillas) pueden cambiar los valores de los bits almacenados en la fila víctima (fila morada). [ 15 ] : 2

El aumento de la densidad de los circuitos integrados DRAM ha dado lugar a celdas de memoria físicamente más pequeñas que contienen menos carga, lo que resulta en menores márgenes de ruido operativo , mayores tasas de interacciones electromagnéticas entre las celdas de memoria y una mayor posibilidad de pérdida de datos. Como resultado, se han observado errores de perturbación , causados ​​por la interferencia entre las celdas y que se manifiestan como cambios aleatorios en los valores de los bits almacenados en las celdas de memoria afectadas. El conocimiento de los errores de perturbación se remonta a principios de la década de 1970 y al Intel 1103 como los primeros circuitos integrados DRAM disponibles comercialmente; desde entonces, los fabricantes de DRAM han empleado diversas técnicas de mitigación para contrarrestar los errores de perturbación, como mejorar el aislamiento entre celdas y realizar pruebas de producción. Sin embargo, en un análisis de 2014, los investigadores demostraron que los chips DDR3 SDRAM disponibles comercialmente fabricados en 2012 y 2013 son susceptibles a errores de perturbación, utilizando el término Rowhammer para nombrar el efecto secundario asociado que provocó los cambios de bits observados . [ 1 ] [ 3 ] [ 15 ]

La posibilidad de que se produzca el efecto Rowhammer en la memoria DDR3 [ 16 ] se atribuye principalmente a la alta densidad de celdas de memoria de la DDR3 y a los resultados de las interacciones asociadas entre las celdas, mientras que las activaciones rápidas de las filas de DRAM se han determinado como la causa principal. Las activaciones frecuentes de filas provocan fluctuaciones de voltaje en las líneas de selección de fila asociadas, que se ha observado que inducen tasas de descarga superiores a las naturales en los condensadores pertenecientes a filas de memoria cercanas (adyacentes, en la mayoría de los casos), que se denominan filas víctimas ; si las celdas de memoria afectadas no se refrescan antes de que pierdan demasiada carga, se producen errores de perturbación. Las pruebas muestran que se puede observar un error de perturbación después de realizar alrededor de 139 000 accesos consecutivos a filas de memoria (con vaciados de caché ), y que hasta una celda de memoria de cada 1700 celdas puede ser susceptible. Estas pruebas también muestran que la tasa de errores de perturbación no se ve afectada sustancialmente por el aumento de la temperatura ambiente, mientras que depende del contenido real de la DRAM porque ciertos patrones de bits dan como resultado tasas de error de perturbación significativamente más altas. [ 1 ] [ 2 ] [ 15 ] [ 17 ]

Una variante denominada "martilleo de doble cara" implica la activación dirigida de dos filas de DRAM que rodean una fila víctima: en la ilustración proporcionada en esta sección, esta variante activaría ambas filas amarillas con el objetivo de inducir cambios de bits en la fila púrpura, que en este caso sería la fila víctima. Las pruebas muestran que este enfoque puede resultar en una tasa significativamente mayor de errores de perturbación, en comparación con la variante que activa solo una de las filas de DRAM vecinas de la fila víctima. [ 4 ] [ 18 ] : 19–20 [ 19 ]

A medida que los fabricantes de DRAM han implementado medidas de mitigación, los patrones se han vuelto más sofisticados para eludir las medidas de mitigación de Rowhammer. Los patrones de Rowhammer más recientes incluyen patrones no uniformes basados ​​en la frecuencia. [ 20 ] Estos patrones consisten en muchos pares de agresores de doble cara donde cada uno de ellos es golpeado con una frecuencia, fase y amplitud diferentes. Usando esto y sincronizando los patrones con el comando REFRESH, es posible determinar de manera muy efectiva "puntos ciegos" donde la mitigación ya no puede brindar protección. Basándose en esta idea, académicos crearon un fuzzer de Rowhammer llamado Blacksmith [ 21 ] que puede eludir las medidas de mitigación existentes en todos los dispositivos DDR4.

Mitigación

Existen diferentes métodos para la detección, prevención, corrección o mitigación, con mayor o menor éxito, del efecto Rowhammer. Las pruebas muestran que el código de corrección de errores simple , que proporciona capacidades de corrección de errores simples y detección de errores dobles (SECDED), no puede corregir ni detectar todos los errores de perturbación observados porque algunos de ellos incluyen más de dos bits invertidos por palabra de memoria . [ 1 ] : 8 [ 15 ] : 32 Además, la investigación muestra que las inversiones de Rowhammer de tres bits dirigidas con precisión impiden que la memoria ECC detecte las modificaciones. [ 22 ] [ 23 ]

Una solución menos eficaz consiste en introducir una actualización de memoria más frecuente, con intervalos de actualización más cortos que los habituales 64  ms, [ a ] ​​pero esta técnica resulta en un mayor consumo de energía y una mayor sobrecarga de procesamiento; algunos proveedores ofrecen actualizaciones de firmware que implementan este tipo de mitigación. [ 24 ] Una de las medidas de prevención más complejas realiza una identificación basada en contadores de las filas de memoria a las que se accede con frecuencia y actualiza proactivamente sus filas vecinas; otro método emite actualizaciones aleatorias adicionales e infrecuentes de las filas de memoria vecinas a las filas a las que se accede, independientemente de su frecuencia de acceso. La investigación muestra que estas dos medidas de prevención causan impactos de rendimiento insignificantes. [ 1 ] : 10–11 [ 25 ]

Desde el lanzamiento de la microarquitectura Ivy Bridge , los procesadores Intel Xeon admiten la denominada actualización de fila de destino pseudo (pTRR), que puede utilizarse en combinación con módulos de memoria DDR3 de doble línea (DIMM) compatibles con pTRR para mitigar el efecto Rowhammer mediante la actualización automática de las filas potencialmente afectadas, sin impacto negativo en el rendimiento ni en el consumo de energía. Cuando se utilizan con DIMM que no son compatibles con pTRR, estos procesadores Xeon recurren por defecto a realizar actualizaciones de DRAM al doble de la frecuencia habitual, lo que resulta en una latencia de acceso a la memoria ligeramente mayor y puede reducir el ancho de banda de la memoria hasta en un 2-4 %. [ 9 ]

El estándar de memoria móvil LPDDR4 publicado por JEDEC [ 26 ] incluye soporte de hardware opcional para el llamado refresco de fila objetivo (TRR) que evita el efecto Rowhammer sin afectar negativamente el rendimiento o el consumo de energía. [ 10 ] [ 27 ] [ 28 ] Además, algunos fabricantes implementan TRR en sus productos DDR4 , [ 29 ] [ 30 ] aunque no forma parte del estándar de memoria DDR4 publicado por JEDEC. [ 31 ] Internamente, TRR identifica posibles filas víctimas, contando el número de activaciones de fila y comparándolo con valores predefinidos de recuento máximo de activación (MAC) y ventana máxima de activación (t MAW ) específicos del chip , y actualiza estas filas para evitar cambios de bits. El valor MAC es el número total máximo de activaciones de fila que se pueden encontrar en una fila DRAM particular dentro de un intervalo de tiempo que es igual o más corto que la cantidad de tiempo t MAW antes de que sus filas vecinas se identifiquen como filas víctimas; TRR también puede marcar una fila como fila víctima si la suma de las activaciones de fila para sus dos filas vecinas alcanza el límite MAC dentro de la ventana de tiempo t MAW . [ 26 ] [ 32 ] La investigación mostró que las mitigaciones de TRR implementadas en chips DDR4 UDIMM y LPDDR4X de dispositivos producidos entre 2019 y 2020 no son efectivas para proteger contra Rowhammer. [ 20 ]

Debido a la necesidad de realizar un gran número de activaciones de filas de DRAM rápidamente, los exploits Rowhammer generan un gran número de accesos a memoria no almacenada en caché que provocan fallos de caché , los cuales pueden detectarse monitorizando la tasa de fallos de caché en busca de picos inusuales mediante contadores de rendimiento de hardware . [ 4 ] [ 33 ]

La versión 5.0 del software de diagnóstico de memoria MemTest86 , publicada el 3 de diciembre de 2013, añadió una prueba Rowhammer que comprueba si la RAM del ordenador es susceptible a errores de perturbación, pero solo funciona si el ordenador arranca con UEFI ; sin UEFI, arranca una versión anterior sin la prueba del martillo. [ 34 ]

Trascendencia

La protección de memoria , como método para impedir que los procesos accedan a memoria que no les ha sido asignada , es uno de los conceptos fundamentales de la mayoría de los sistemas operativos modernos . Al utilizar la protección de memoria en combinación con otros mecanismos de seguridad, como los anillos de protección , es posible lograr la separación de privilegios entre procesos, en la que los programas y los sistemas informáticos en general se dividen en partes limitadas a los privilegios específicos que requieren para realizar una tarea determinada. El uso de la separación de privilegios también puede reducir el alcance del daño potencial causado por ataques informáticos al restringir sus efectos a partes específicas del sistema. [ 35 ] [ 36 ]

Los errores de perturbación (explicados en la sección anterior ) anulan eficazmente varias capas de protección de memoria al " cortocircuitarlas " a un nivel de hardware muy bajo, creando prácticamente un tipo de vector de ataque único que permite a los procesos alterar el contenido de partes arbitrarias de la memoria principal manipulando directamente el hardware de memoria subyacente. [ 2 ] [ 4 ] [ 18 ] [ 37 ] En comparación, los vectores de ataque "convencionales", como los desbordamientos de búfer, buscan eludir los mecanismos de protección a nivel de software, explotando diversos errores de programación para lograr alteraciones en contenidos de la memoria principal que de otro modo serían inaccesibles. [ 38 ]

Explosiones

La investigación inicial sobre el efecto Rowhammer, publicada y presentada en junio de 2014 en el Simposio Internacional sobre Arquitectura de Computadoras , describió y analizó la naturaleza de los errores de perturbación de lectura de DRAM en chips DRAM DDR3. Este artículo [ 1 ] estudió experimentalmente 129 módulos DRAM DDR3 reales de tres fabricantes de DRAM y demostró errores de bit por perturbación de lectura en 110 de ellos. También mostró que un programa a nivel de usuario ejecutado en dos sistemas reales de Intel y AMD induce errores de bit en la memoria principal. El trabajo indicó el potencial para construir un ataque, afirmando que "Con cierto esfuerzo de ingeniería, creemos que podemos convertir el Código 1a en un ataque de perturbación que inyecte errores en otros programas, provoque el fallo del sistema o incluso tome el control del mismo. Dejamos esa investigación para el futuro, ya que el objetivo principal de este trabajo es comprender y prevenir los errores de perturbación de DRAM". [ 1 ]

Un artículo de investigación posterior de octubre de 2014 no implicaba la existencia de ningún problema relacionado con la seguridad derivado del efecto Rowhammer. [ 16 ]

El 9 de marzo de 2015, el Proyecto Zero de Google reveló dos exploits funcionales de escalada de privilegios basados ​​en el efecto Rowhammer, estableciendo su naturaleza explotable en la arquitectura x86-64 . Uno de los exploits revelados se dirige al mecanismo Google Native Client (NaCl) para ejecutar un subconjunto limitado de instrucciones de máquina x86-64 dentro de un sandbox , [ 18 ] : 27 explotando el efecto Rowhammer para escapar del sandbox y obtener la capacidad de realizar llamadas al sistema directamente. Esta vulnerabilidad de NaCl , rastreada como CVE - 2015-0565 , se ha mitigado modificando NaCl para que no permita la ejecución de la instrucción de máquina ( vaciado de línea de caché [ 39 ] ), que anteriormente se creía necesaria para construir un ataque Rowhammer efectivo. [ 2 ] [ 4 ] [ 37 ]clflush

El segundo exploit revelado por Project Zero se ejecuta como un proceso Linux sin privilegios en la arquitectura x86-64, explotando el efecto Rowhammer para obtener acceso sin restricciones a toda la memoria física instalada en una computadora. Al combinar los errores de perturbación con el rociado de memoria , este exploit es capaz de alterar las entradas de la tabla de páginas [ 18 ] : 35 utilizadas por el sistema de memoria virtual para mapear direcciones virtuales a direcciones físicas , lo que resulta en que el exploit obtenga acceso a la memoria sin restricciones. [ 18 ] : 34, 36–57 Debido a su naturaleza y la incapacidad de la arquitectura x86-64 para hacer clflushuna instrucción de máquina privilegiada, este exploit difícilmente puede mitigarse en computadoras que no utilizan hardware con mecanismos de prevención de Rowhammer incorporados. Mientras probaba la viabilidad de los exploits, Project Zero descubrió que aproximadamente la mitad de las 29 computadoras portátiles probadas experimentaron errores de perturbación, y algunos de ellos ocurrieron en computadoras portátiles vulnerables en menos de cinco minutos de ejecutar código que induce row-hammer; Los portátiles probados se fabricaron entre 2010 y 2014 y utilizaban memoria DDR3 no ECC. [ 2 ] [ 4 ] [ 37 ]

En julio de 2015, un grupo de investigadores de seguridad publicó un artículo que describe una forma independiente de la arquitectura y del conjunto de instruccionesclflush para explotar el efecto Rowhammer. En lugar de depender de la instrucción para realizar vaciados de caché, este enfoque logra accesos a memoria no almacenada en caché al causar una tasa muy alta de desalojo de caché utilizando patrones de acceso a memoria cuidadosamente seleccionados. Aunque las políticas de reemplazo de caché difieren entre procesadores, este enfoque supera las diferencias arquitectónicas empleando un algoritmo de estrategia de desalojo de caché adaptativo . [ 18 ] : 64–68 La prueba de concepto para este enfoque se proporciona tanto como una implementación de código nativo como una implementación pura de JavaScript que se ejecuta en Firefox  39. La implementación de JavaScript, llamada Rowhammer.js , [ 40 ] utiliza grandes matrices tipadas y se basa en su asignación interna utilizando páginas grandes ; como resultado, demuestra una explotación de muy alto nivel de una vulnerabilidad de muy bajo nivel. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

En octubre de 2016, investigadores publicaron DRAMMER, una aplicación para Android que utiliza Rowhammer, junto con otros métodos, para obtener acceso root de forma fiable en varios smartphones populares. [ 45 ] La vulnerabilidad fue reconocida como CVE - 2016-6728 [ 46 ] y Google publicó una solución en el plazo de un mes. Sin embargo, debido a la naturaleza general de las posibles implementaciones del ataque, resulta difícil implementar de forma fiable un parche de software eficaz. En junio de 2018, la mayoría de las propuestas de parches realizadas por la comunidad académica y la industria eran poco prácticas para su implementación o insuficientes para detener todos los ataques. Como solución, los investigadores propusieron una defensa ligera que previene los ataques basados ​​en el acceso directo a memoria (DMA) mediante el aislamiento de los búferes DMA con filas de protección. [ 47 ] [ 48 ]

En mayo de 2020, el trabajo de TRRespass [ 49 ] demostró que los chips DRAM DDR4 existentes, que supuestamente están protegidos y son resistentes contra Rowhammer, en realidad son vulnerables a este ataque. Este trabajo introdujo un nuevo patrón de acceso, denominado "golpeo por múltiples lados", que elude las protecciones contra Rowhammer implementadas en los chips DRAM DDR4.

En mayo de 2021, un equipo de investigación de Google anunció una nueva vulnerabilidad, Half-Double, que aprovecha el empeoramiento de la física de algunos de los chips DRAM más recientes. [ 50 ]

En marzo de 2024, un grupo de investigadores de ETH Zürich anunció ZenHammer, un exploit rowhammer para chips AMD Zen , y también anunció el primer uso de rowhammer para explotar la SDRAM DDR5 . [ 51 ] [ 52 ]

En junio de 2024, un grupo de investigadores de ETH Zürich anunció RISC-H, una vulnerabilidad de Rowhammer para chips RISC-V ; este es el primer estudio de Rowhammer en RISC-V. [ 53 ]

En septiembre de 2025, un grupo de investigadores de ETH Zürich anunció Phoenix, que logró eludir todas las medidas de mitigación de Rowhammer Target Row Refresh en una muestra de uno de los mayores fabricantes de DDR5 SDRAM mediante el uso de patrones más largos y avanzados, y demostró la vulnerabilidad en la práctica. [ 54 ]

Véase también

  • Codificación de memoria : función del controlador de memoria que convierte los datos de usuario escritos en la memoria en patrones pseudoaleatorios. 
  • Reforzamiento contra la radiación : el proceso de hacer que los componentes electrónicos sean resistentes a los daños o fallos de funcionamiento causados ​​por la radiación ionizante. 
  • Alteración por evento único : un cambio de estado causado por iones o radiación electromagnética que inciden en un nodo sensible de un dispositivo electrónico. 
  • Error leve : un tipo de error que implica cambios erróneos en las señales o los datos, pero sin cambios en el dispositivo o circuito subyacente. 

Notas

  1. ↑ Las investigaciones muestran que la tasa de errores de perturbación en una selección demódulos de memoria DDR3 se acerca a cero cuando el intervalo de actualización de la memoria se reduce aproximadamente siete veces con respecto al valor predeterminado de 64 ms. [ 15 ] : 17, 26

Referencias

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