Meltdown: Wie Prozessoren geschützten Speicher preisgaben

Am 3. Januar 2018 machten Forscher eine Sicherheitslücke öffentlich, die nicht in Software steckte, sondern in den Prozessoren selbst. Auf den meisten Intel-Prozessoren konnte jedes Programm den Speicher des Kernels lesen, des Kerns des Betriebssystems, und auf vielen Systemen den gesamten Arbeitsspeicher des Computers. Der Fix musste von den Betriebssystemen kommen, und Windows, Linux und macOS änderten etwa zur gleichen Zeit, wie sie mit dem Speicher umgehen.

So funktionierte der Angriff

Moderne Prozessoren warten nicht jede Prüfung ab, bevor sie arbeiten. Um Zeit zu sparen, führen sie Befehle im Voraus und außer der Reihe aus und verwerfen die Ergebnisse, wenn eine Prüfung später fehlschlägt.

Auf Intel-Prozessoren lief der Versuch eines Programms, Kernel-Speicher zu lesen, einen Moment lang weiter, bevor die Rechteprüfung ihn stoppte. Der verbotene Wert wurde dann verworfen, doch das Programm hatte ihn bereits benutzt, um auf einen bestimmten Eintrag einer großen Tabelle zuzugreifen. Dieser Eintrag blieb im Cache, einem kleinen, schnellen Speicher im Prozessor. Indem das Programm danach misst, wie schnell jeder Eintrag der Tabelle lädt, eine Methode namens Flush+Reload, erfährt es den geheimen Wert. Wiederholt es das, kann es den gesamten Kernel-Speicher Byte für Byte lesen, ohne dass es dafür einen Fehler in der Software braucht, und ohne besondere Rechte.

Welche Prozessoren betroffen sind

Wie weit Meltdown reicht, hängt von der Frage ab. Laut der Website der Forscher ist potenziell jeder Intel-Prozessor mit Out-of-Order-Ausführung seit 1995 betroffen, außer Itanium und Atom vor 2013. Der Fachartikel zeigt den Angriff auf Intel-Generationen seit 2010. Von ARMs eigenen Prozessordesigns ist nur der Cortex-A75 betroffen; auch Samsungs Exynos M1 gab in Tests Daten preis. AMD erklärte laut dem Fachartikel, seine Prozessoren seien nicht betroffen.

Da die Schwachstelle in der Hardware liegt, spielt es keine Rolle, welches Betriebssystem darauf läuft. Auf gemeinsam genutzten Servern konnten Programme in Containern, die sich ein Betriebssystem teilen, und manche Arten virtueller Maschinen den Speicher des Hosts lesen.

Der Angriff ist schnell. Die Forscher lasen Kernel- und physischen Speicher mit 3,2 bis 503 Kilobyte pro Sekunde aus, je nach Rechner. Daten, die bereits im schnellsten Cache des Prozessors lagen, dem L1-Cache, kamen noch schneller heraus, mit einer Fehlerquote von nur 0,003 %.

Warum das Auslesen des ganzen Speichers nur 5,6 erreicht

Die NVD, die US-amerikanische National Vulnerability Database, bewertet Meltdown mit 5,6 von 10 auf Version 3.0 der CVSS-Skala: mittel. Das liegt nicht daran, dass der Schaden klein wäre, sondern daran, wie der Angriff funktioniert. Der Angreifer muss bereits ein Programm auf dem Computer ausführen, mit normalen Benutzerrechten; die Skala nennt das einen lokalen Angriff. Der Angriff gilt als schwer durchführbar. Und er liest nur Daten; ändern oder löschen kann er nichts. Intels eigener Sicherheitshinweis vergibt denselben Wert. Shellshock, das über das Internet funktioniert, erreicht 9,8.

Der Fix und die Reaktion

Google Project Zero meldete die Lücke am 1. Juni 2017 an Intel, AMD und ARM. Die Technische Universität Graz und Cyberus Technology fanden sie unabhängig davon. 216 Tage lang blieb die Lücke geheim, während die Hersteller der Betriebssysteme Fixes vorbereiteten. Eine solche Zeit vereinbarter Geheimhaltung heißt Embargo.

Der Fix heißt Kernel Page-Table Isolation (KPTI) und baut auf einem Forschungsentwurf namens KAISER auf. Seitentabellen sind die Karte, die dem Prozessor sagt, welchen Speicher ein Programm sehen kann. Mit KPTI wird der Speicher des Kernels aus dieser Karte entfernt, solange normale Programme laufen. Microsoft veröffentlichte am 3. Januar 2018 ein Windows-Update mit dem Fix, etwa KB4056892. Apple hatte bereits Fixes in iOS 11.2, macOS 10.13.2 und tvOS 11.2 ausgeliefert. Linux führte KPTI ein. Neuere Prozessoren beheben die Lücke in der Hardware.

Der Schutz kostet bei jedem Wechsel zwischen einem Programm und dem Kernel Zeit. Wie viel, hängt vom System ab und davon, welche Fixes eine Zahl umfasst:

Spectre heißen die beiden anderen Lücken im Bericht von Google Project Zero. Den größten Teil der Verlangsamung unter Windows verursachte laut Microsoft der Fix für die zweite Spectre-Variante. Der ungünstigste Fall bei Red Hat betrifft Anwendungen mit vielen Wechseln in den Kernel, etwa Datenbanken, die viele kleine Transaktionen verarbeiten. Er zeigt nicht, was der Meltdown-Fix allein kostet.