State Authenticity under Multiple Bus Masters: A Non-Secure DMA Gap and Mitigation for TrustZone-M Proofs of Executio

あらゆる場所に、安価で小さなコンピュータが散りばめられた世界を想像してみてください。スマートサーモスタットやフィットネストラッカー、さらには工場のセンサーの中にもあります。これらの小さなデバイスは、温度の読み取りや動きのカウントといったデータを送り返す、正直な報告者であるはずです。しかし、もしハッカーがこれらのデバイスの一つを乗っ取り、巨大なクラウドデータベースに偽のデータを送り込み始めたらどうなるでしょうか？これを防ぐために、私たちはデジタルな「実行証明（proof of execution）」を使用します。これは、コンピュータのための公証人のようなものです。デバイスは、「私は指示された通りの特定の計算問題を、数字を改ざんすることなく正確に実行したことを約束します」という受領書に署名します。

これが機能するためには、デバイスには二つのものが必要です。一つは、正しいコードを実行したことを証明する安全な方法であり、もう一つは、使用したデータ（「状態」）が改ざんされていないことを証明する方法です。ここで議論する論文は、多くの現代的なマイクロチップに組み込まれているTrustZone-Mと呼ばれる、この証明システムのより高度な技術的バージョンについて見ています。これは、チップ内部にあるスーパーセキュアな金庫のようなもので、「信頼できる」タスクと「信頼できない」タスクを分離します。大きな疑問は、もしハッカーが「信頼できない」側へ侵入した場合、計算を行っている最中にこっそりとデータを書き換え、システムを騙して偽の受領書に署名させることができるのか、という点です。この論文は、現在の金庫のルールが、データを書き込みながらもメインのコンピュータに気づかれないように動く、巧妙で目に見えない助手を阻止するのに十分な強さを持っているかどうかを調査しています。

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見えないペン：いかにして「ゴースト」ハッカーがセキュアチップを欺いたか

組み込みセキュリティという極めて重要な局面において、研究者たちは最近、SLAPP（Stateful Proofs of Execution）と呼ばれる巧妙なスキームを提案しました。SLAPPを、生徒（デバイス）が数学の問題を正しく解いたかどうかを検証しようとする、非常に厳格な司書だと想像してください。司書は二つのことをチェックします。第一に、生徒が正しい教科書（コード）を使用したこと。第二に、問題を解いている間に生徒がノートの数字を書き換えてカンニングをしなかったこと（状態）です。

司書の論理は単純で、一見すると完璧に見えました。「もし生徒がノートの数字を変えようとするなら、まずその方法を知るために教科書を開かなければならない。しかし、教科書を監視する魔法のスキャナーがあるため、指示への変更は即座に検知される。したがって、教科書が完璧に見えるのであれば、ノートの中の数字も正直であるはずだ」というものです。

しかし、この論文は、その論理の幕を剥ぎ取り、欠陥を明らかにしています。研究者たちは、「生徒」だけがノートに書き込めるのではないことを発見しました。そこには、もう一人の目に見えない書き手、すなわちDMAコントローラが存在していたのです。

「ゴースト」の書き手

DMAを理解するために、メインのコンピュータプロセッサ（CPU）を、野菜を切っている忙しいシェフだと想像してください。シェフだけがキッチンにあるまな板（メモリ）に触れることが許されています。シェフはセキュリティカメラ（TrustZone-Mによる隔離）によって監視されており、他の誰もまな板に触れられないようになっています。

ところが、キッチンにはロボットアーム（DMAコントローラ）が設置されています。このロボットは、冷蔵庫からまな板へと自動的に食材を移動させるようにプログラムされています。セキュリティカメラは「シェフの手」だけを見守っています。カメラはロボットの存在を知りません。ロボットは、シェフが野菜を切っている間に、まな板の上に小麦粉の袋を掴んでぶちまけることができます。シェフはロボットを見ることはできず、セキュリティカメラも、シェフの手が動いていないため、瞬きすることさえありません。

SLAPPセキュリティスキームの世界では、この「ロボット」がDMAコントローラです。研究者たちは、セキュリティシステムがシェフ（CPU）だけを監視していたことを発見しました。システムは、レシピ本（プログラムメモリ）が変更されなければ、材料（状態）が変わることはないと想定していました。しかし、ロボットはレシピ本には一切触れることなく、材料を書き換えることができたのです。

攻撃：静かな毒入れ

研究者たちは、この「ゴースト」の書き手が実際にシステムを破壊できるかどうかを確認するため、実物のチップ（STM32L5マイクロコントローラ）を用いたテストを実施しました。彼らは、すでにチップの「信頼できない」部分を乗っ取ったハッカーが、計算の真っ最中にDMAロボットを使用して、正当な数値を偽の数値にすり替えるシナリオを作成しました。

トリックの手順は以下の通りです：

1. チェック： チップのセキュアな部分がノートをチェックし、数字がクリーンであることを確認しました。そして、OKを出しました。
2. スワップ（入れ替え）： チェックの直後、しかし最終的な結果が署名される「前」に、DMAロボットが素早く入り込み、数値を「毒」の値に置き換えました。
3. 署名： チップはその毒された数値を用いて計算を完了し、受領書に署名しました。
4. 結果： セキュリティカメラはレシピ本を確認し、それが手つかずであることを確認して、受領書を有効として受理しました。

その結果、「実行証明」は数学的には有効ですが、事実としては嘘をついているものとなりました。システムは、改ざんされたデータに基づいた結果を証明してしまい、その間、メインのコンピュータはすべて正常であると思い込んでいました。

なぜ通常の防御策は失敗したのか

研究者たちは次に、「なぜチップの内蔵セキュリティはこれを止められなかったのか？」と問いかけました。彼らは3つの標準的な防御策を試みましたが、それぞれ異なる、滑稽な理由で失敗しました。

1. 「ロボットをロックする」試み： 彼らはセキュリティシステムに対し、ロボットの腕をロックするように指示しました。しかし、システムは「私はロボットを制御していません。私はシェフのみを制御しています」と答えました。セキュリティゲートは、そもそもロボットには適用されなかったのです。
2. 「テーブルをロックする」試み： 彼らはまな板をロックして、誰も触れなくしようとしました。しかし、これは厳しすぎました！シェフもまな板に書き込む必要があるからです。まな板をロックしてしまうと、シェフは仕事ができなくなり、システム全体が停止してしまいます。
3. 「アラーム」の試み： 彼らは、ロボットがまな板に触れた場合に鳴るアラームを設定しようとしました。しかし、アラームは誰かがルールを破った時にのみ鳴ります。今回のケースでは、ロボットがまな板に触れることは許可されていたため（ただし、この特定のセキュリティルールにおいては不適切な接触であったとしても）、アラームは沈黙したままでした。

解決策：ロボットの調教

解決策は、より大きな壁を作ることでも、より大きな音のアラームを作ることでもありませんでした。それは、ロボットに自分自身の「セキュリティバッジ」を与えることでした。研究者たちは、ロボット（DMAコントローラ）の中に、セキュアなシェフによって切り替え可能な「隠されたスイッチ」が存在することを発見しました。

このスイッチを切り替えることで、セキュアな世界は「この特定のロボットアームは現在、私の管理下にあります。もしハッカーがこれを動かそうとしても、命令を無視し、レッドフラグを上げます」と言うことができるのです。

この修正は驚くほど安価で簡単でした。シェフの速度を落とすことも、新しいハードウェアを必要とすることもありませんでした。研究者たちは、チップ上のすべてのロボットアームを保護することでこれをテストしました。再び攻撃を試みたところ、ロボットは動くことを拒否し、アラームが鳴り、偽の受領書は拒絶されました。

大きな教訓

この論文の最も重要な教訓は、特定のチップや特定のハッカーのトリックについてだけではありません。それは、私たちが「セキュリティ」をどう考えるかについての教訓です。

長い間、セキュリティ設計者は、メインの脳（CPU）を守れば、すべてを守れると考えてきました。しかし、この論文は、現代のチップにおいては、脳が見ていない他の「手」がメモリに手を伸ばしていることを証明しています。コンピュータのデータを信頼したいのであれば、単に脳を見守るだけでなく、データに触れることができる「あらゆる手」を見守らなければなりません。

研究者たちは、SLAPPシステムが、公開された時点では、その論理に穴があったことを示しました。それは、「ロボットの手」を忘れていたためです。彼らは単に穴を見つけただけでなく、シンプルで軽量な修正によって、どのようにそれを塞ぐことができるかを正確に示しました。これは、小さなコンピュータの世界において、最も恐ろしいハッカーとはキーボードを叩いている者ではなく、誰かがIDチェックを忘れるのを待ち構えている、バックグラウンドで働く目に見えないロボットであるかもしれない、ということを思い出させてくれます。