DupeFS：利用文件系统去重功能以侧信道攻击的方式泄露用户数据

本篇论文发表于FAST 2022上。

文件系统的去重功能

数据去重的主要思想是，当遇到重复的文件块时，这些文件块只会有一份被物理地存放在磁盘上，剩下的块都只会存储索引来指向该文件块。现在一些文件系统，如ZFS和Btrfs，支持了这种数据去重的功能，它们采用COW（copy-on-write）机制，只有当数据产生更改的时候才会进行复制。当数据不发生更改时，则继续使用索引共享数据区块。

构建侧信道攻击

这种共享的行为其实存在一定的安全性问题，容易受到侧信道攻击的影响。由于COW机制的存在，如果两个数据区块存放的数据内容存在重复，那么文件系统只会构建索引。相反，如果数据区块的内容不一致，那么数据区块就会被真正地物理写入磁盘中。很显然，存放索引所消耗的时间和存储数据所消耗的时间是不一样的，那么利用这种时间差就可以构建timing side channel攻击。

攻击方案

那么具体应该怎么做呢？如上图所示为alignment probing的方法，假设攻击者想要窃取的数据为secret data，那么攻击者可以设法将某一数据区块填入自己预先设定好的数据，然后将secret data逐byte填入其中。每填入一个byte，攻击者就尝试枚举填入的secret data的byte数值在另一个地方构造区块，并采用timing的方法来检验构造出来的区块是否和之前的区块相同。通过这样的办法，攻击者可以逐byte破解出secret data。

alignment probing可以实现local的攻击，即共享一台服务器的跨用户的攻击，但是跨网络的攻击需要对此timing进行放大。作者提出了secret spraying的方法，即一次请求进行多次写入，将时间差进行放大。基于以上，作者可以实现一种端到端的远程数据窃取攻击，具体是窃取nginx服务器上log文件中的OAuth access token（长度为22 bytes），在OAuth协议中的重要秘密数据。

当用户访问攻击者构造的恶意网站（即上图中的attack.com时），里面会有一个隐藏的iframe，该iframe会不断强制用户浏览器构建链接来在log文件中写入攻击者自己的secret OAuth token。通过这种方式，攻击者可以控制通过控制文件中的数据，进而控制文件区块中数据来实现攻击。由于该token的长度为22 bytes，通过重复22次操作即可复原这个key。