基本介紹
背景,攻擊定義,攻擊原理,攻擊過程,晶片轉移,數據轉儲,數據分析,
背景
冷啟動攻擊最先由 Halderman 等人於 2008 年的 USENIX Security 會議上作為一種有效的攻擊方式提出並進行攻擊展示，成功地破解了多個開源和商業的磁碟加密系統。實際上，動態記憶體的數據剩餘現象在低溫下會被大大延長的特性的 發現可以追溯到20 世紀70 年代，被液氮冷卻的記憶體晶片中的 數據可以保持一周而不發生變化。而 Chow 等人則在實 驗中發現了記憶體中的數據會在計算機重啟後保持的現象。 Pettersson受到此前工作的啟發，提出記憶體的數據剩餘導致 的計算機重啟後記憶體中的數據繼續保持的現象可以被攻擊者
用來獲取記憶體快照這個想法，但並沒有真正通過實驗進行驗 證。除動態記憶體外( DRAM) ，靜態記憶體( static random access memory，SRAM) 也被證明存在明顯的記憶體剩餘現象。 Carbone 等人在更廣泛的軟硬體環境下重複了冷啟動 攻擊的實驗，並驗證了冷啟動攻擊被用來進行數字取證( digital forensics) 的可行性。Gruhn 等人也驗證了冷啟動攻擊的 實用性，並且發現即使只是將記憶體晶片輕微地冷卻到10℃左 右，也能顯著地延長記憶體中數據保持的時間。而 Müller 等 人成功地在一台 Nexus 智慧型手機上執行了冷啟動攻擊，將 冷啟動攻擊的適用範圍從 PC、筆記本電腦擴展到智慧型設備 領域。
攻擊定義
冷啟動攻擊是一種新型的旁路攻擊( side channel attack) 。 利用冷啟動攻擊，攻擊者可以對其進行物理訪問的正在運行的 計算機執行冷啟動操作以繞過其軟硬體防護機制，獲取正在運 行的計算機的記憶體快照，並進一步從快照中提取出密鑰等敏感信息。
攻擊原理
計算機動態記憶體晶片是由記憶體單元( DRAM cell) 陣列構 成。每個記憶體單元本質上是一個電容，利用電容的充電態 ( charged state) 和基態( ground state) 兩種狀態來表示一個比特 位的數據信息。如果沒有外接電源，處於充電態的電容將 逐漸放電，並最終轉換為基態。這個過程通常需要毫秒級的時 間才會完成狀態轉換，這個現象被稱為數據剩餘( data remanence) ，這個過程被稱為數據退化( decay) 。所以記憶體晶片並 不會持續為記憶體單元充電，而是定期將記憶體單元的狀態讀出再 根據其狀態重新對其充電或放電以維持其狀態，以降低記憶體的 耗電量，這是動態記憶體動態性( dynamic) 的由來。這個時間被 稱為刷新間隔( refresh interval)。正是由於記憶體單元的這種 性質，當記憶體晶片斷電後，記憶體單元的狀態仍然會保持一段時 間;如果將記憶體晶片置於低溫下，這個時間將會大大延長。隨 著記憶體晶片所處的溫度和記憶體晶片製造工藝的不同，當記憶體芯 片斷電幾分鐘甚至幾十分鐘以後，其中可能也只有少部分記憶體 單元的狀態會發生變化; 而當記憶體晶片被重新加電，記憶體單元 會被重新刷新，其狀態也隨即固定下來。目前，幾乎所有的動 態記憶體都利用了記憶體單元的這種性質進行設計、實現。甚至退 化時間隨溫度降低而延長的性質已經被用做最佳化記憶體能耗的 一種手段，當檢測到記憶體晶片溫度降低時，可以在保證數據不 會丟失的前提下降低記憶體的刷新頻率，以節省能耗。另一方 面，這種性質為對目標計算機具有物理訪問能力的攻擊者提供 了攻擊的可行性。
攻擊過程
利用記憶體的數據剩餘特性，如果攻擊者對正在運行的目標 計算機具有物理訪問能力，則其可以首先將記憶體晶片冷卻，再 將記憶體轉移到事先準備好的用於執行攻擊的計算機上以繞過 目標計算機的軟硬體防護措施，通過特定的引導程式將記憶體中 的數據轉儲到磁碟等永久存儲介質上，最後從記憶體快照中恢復 提取出密鑰等密碼信息。
晶片轉移
為了防止目標計算機上可能存在的防護機制，比如 BIOS 可能在啟動時清零記憶體，需要先將工作中的內 存晶片冷卻後斷電，將晶片轉移到另一台提前準備好的計算機 上再執行後續攻擊過程。Halderman 等人在實驗中驗證了 罐裝空氣( canned air) 是一種高效、低成本的冷卻劑，可以快速 將記憶體晶片的溫度降低到約 －40℃。在這個溫度下，實驗用的 記憶體晶片斷電1 min 後數據退化率往往不超過0.1%。Gruhn 等人重複了前者的實驗，並發現即使只將記憶體晶片冷卻到 0℃左右，攻擊也可以成功。
數據轉儲
當記憶體晶片在用於執行攻擊的計算機上加電後，晶片中的數據鎖定為在目標計算機上斷電時的狀態。之 後可以利用一個精簡的、自定義的引導程式將此時記憶體中的數 據完整地轉儲到磁碟等永久存儲介質中以備後續分析。Halderman 等人在其項目網站上提供了可用的引導程式。
