SRS DAY: Problématique liée à la virtualisation

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1 SRS DAY: Problématique liée à la virtualisation Anthony GUDUSZEIT Franck CURO gudusz_a curo_f

2 Introduction

3 Sommaire Définition Contexte Avantages / inconvénients Fonctionnement et problématique Techniques de virtualisation Rootkits utilisant la virtualisation o SubVirt o Blue Pill Détection de machine virtuelle

4 Définition

5 Définition Ensemble des techniques matérielles et/ou logicielles qui permettent de faire fonctionner sur une seule machine plusieurs systèmes d exploitation et/ou plusieurs applications, séparément les uns des autres, comme s ils fonctionnaient sur des machines physiques distinctes

6 Contexte

7 Contexte (1/3) Avant : Mainframes Coûteux à l achat Coûteux à la maintenance 1ère solution de virtualisation introduite par IBM en 1967 avec les servers 370 series

8 Contexte (2/3) Ensuite : Décentralisation Isolation des applications critiques Coûteux en terme de matériel, espace, électricité Inactivité moyenne de 85% Virtualisation peu utilisée

9 Contexte (3/3) Maintenant : Virtualisation Isolation des applications critiques Optimisation de l utilisation des ressources Gestion dynamique et sécurité accrue Début années 1990, émulation des consoles de jeu Fort développement depuis fin années 1990 o Test de malware dans un milieu confiné o Test de développement multi-architecture

10 Avantages / Inconvénients

11 Avantages Pourquoi virtualiser? Réduction des coûts Optimisation des ressources PRA et Haute disponibilité Évolutivité Sécurité

12 Réduction des coûts Différents types de coûts: Achat du matériel Consomation électrique et climatisation Coûts liés à l espace / hébergement Coûts de la maintenance

13 Optimisation des ressources Les serveurs ne sont exploités qu à 10 à 15% de leur capacité D après une étude de l International Data Corporation (IDC) Possibilités: Mutualisation des composants Allocation dynamique des ressources Support du multiprocessoring Répartition de charge

14 PRA et haute disponibilité Applications: Restauration temps record Restauration n importe où Migration temps réel entre serveurs physiques après déclenchement d une alarme

15 Évolutivité Gestion dynamique des ressources: Redimentionnement des disques à la volée Réallocation de la mémoire et autres ressources

16 Sécurité La première application, dans un but de sécurité est l isolation d applications La virtualisation des applications évite: Gaspillage des ressources Crash du système à cause de l instabilité d une application Escalade des privilèges locaux à travers un piratage d une application

17 Inconvénients Les freins à la virtualisation: License Expertise Criticité du serveur hôte Migration serveur physiques / virtuels

18 Fonctionnement et problématique

19 Fonctionnement Rôle du système d exploitation: Gérer les ressources matérielles de l ordinateur (CPU, RAM, périphériques) Faire l intermédiaire entre les applications et le matériel Etre le seul à avoir accès avec le matériel

20 Problématique But du logiciel de virtualisation: Faire croire aux systèmes d exploitations invitées qu ils sont les seuls à communiquer avec le matériel Enfermer les OS invitées dans une machine virtuelle Intercepter les requêtes vers les VM Traduire les requêtes pour les éxécuter sur la machine hôte

21 Processeur x86 (1/3) 4 niveaux de privilèges en mode protégé: Niveau 0 o Peut tout faire o Réservé au noyau Niveau 1 et 2 : rarement utilisés en pratique Niveau 3: o Certaines instructions critiques sont interdites : modification état de la machine, instructions d e/s o Niveau d éxécution des applications

22 Processeur x86 (2/3) Instruction non critique: Éxécution autorisée à partir du niveau 3 Instruction critique privilégiée: Nécessite le niveau 0 Lève une exception si éxécuté en niveau 3 Instruction critique non privilégiée: Ne lève pas d exception si éxécuté en niveau 3

23 Processeur x86 (3/3) Les instructions non critiques sont directement éxécutées sur le processeur de la machine hôte Le MMV exploitent les exceptions des instructions critiques privilégiées Il doit aussi prendre en compte les 17 instructions critiques non privilégiées Plusieurs solutions: o Réécriture des instuctions à la volée (virtualisation native) o Remplacement par des hypercall vers l hyperviseur (para-virtualisation)

24 Techniques de virtualisation

25 Émulation (1/3) OS invité n a pas conscience d être virtualisé Simulation de la totalité du matériel Non dépendant de l architecture de la machine hôte

26 Émulation (2/3) Traduction à la volée de la totalité des instructions Performances très médiocres Très gourmand en ressources

27 Émulation (3/3) Exemples: Qemu, Boch, PearPC

28 Virtualisation complète (1/2) OS invité n a pas conscience d être virtualisé Simulation partiel du matériel (même CPU) VMM fait l intermédiaire entre l os invité et le hardware Dépendant de l architecture de la machine hôte

29 Virtualisation complète (2/2) Instructions non critiques éxécutées par le processeur Traduction des instructions critiques Performances moyennes Exemple: Parallels Desktop, Vmware workstation

30 Paravirtualisation (1/3) OS invité a conscience d être virtualisé Mise en place d «hypercall» Dépendant de l architecture de la machine hôte

31 Paravirtualisation (2/3) Bonnes performances OS invité doit être modifié => complexité Problème de license

32 Paravirtualisation (3/3) Exemple: Vmware ESX Server, XEN

33 Virtualisation matérielle (1/2) Délègue la traduction des instructions au processeur Nouveau mode d exécution définit au niveau du processeur : mode VM

34 Virtualisation matérielle (2/2) Performances excellentes Implémenté par Intel (Vanderpool) et AMD (Pacifica)

35 Cloisonnement Isolation des applications Un seul OS Ex: jail, chroot, Linux Vserver

36 Rootkit Utilisant la virtualisation

37 SubVirt

38 SubVirt Université Michigan & Microsoft Research SubVirt est un proof of concept Utilise la full virtualisation Son but: virtualiser l OS original et lancer un autre OS, qui sera l hôte

39 Installation 1. Nécessite un accès root sur la cible 1. Modifie le boot loader pour lancer la machine virtuelle au démarage 1. Il faut ensuite redémarrer la machine

40 Avantage Ce rootkit reste présent lors du redémarrage de la machine

41 Inconvénients Ne fonctionne qu avec les couples Linux/Vmware & Windows/VirtualPC Peut être détecté en analysant les données de la séquence de démarrage Ralentit considérablement l OS cible => détection plus facile

42 Blue Pill

43 Blue Pill Proof of concept présenté par Joanna RUTKOWSKA en juin 2006 En mai 2007, mise à disposition des sources sur : Blue Pill est à présent fonctionnel

44 Blue Pill Blue Pill utilise les extensions Pacifica d AMD pour virtualiser l OS cible Fournit un hyperviseur pour contrôler l OS

45 SVM Jeu d instructions supplémentaires utilisé pour faire tourner des machines virtuelles via le processeur EFER (Extended Feature Enable Register) Pour activer la virtualisation, il faut mettre le champ SVME dans EFER à 1

46 EFER

47 VMRUN VMRUN est utilisé pour exécuter le code de la machine virtuelle L appel à VMRUN nécessite l adresse du VMCB (Virtual Machine Control Block)

48 VMCB VMCB contient: La liste des instructions à intercepter Des bits de contrôle pour l environnement virtuel L état du processeur virtuel

49 Exécution de VMRUN

50 Installation 1. Activation du mode virtuel 1. Remplissage du VMCB en utilisant les informations du processeur réel 2. Démarrage du superviseur 1. Lancement de la nouvelle machine virtuelle

51 Avantages Blue Pill s installe lui-même à la volée L état des registres reste inchangé pour la nouvelle machine virtuelle Plus besoin de redémarrer la machine Indépendant des VMM Théoriquement, il serait possible de faire une attaque par Blue Pill dans une VM

52 Inconvénient Blue Pill ne résiste pas au redémarrage de la machine

53 Détection de machine virtuelle

54 Détection Utilisé par les créateurs de malware pour changer le comportement de ces derniers dans le cas où il se trouve dans une VM Utilisé par les défenseurs pour savoir s ils sont dans un environnement virtualisé alors qu il ne devrait pas l être

55 Red Pill «You take the red pill and you stay in Wonderland and I show you how deep the rabbit-hole goes.» Inventé par Joanna RUTKOWSKA en 2004 S intéresse à la valeur de certains registres du processeur (l IDTR par exemple) Morpheus, Matrix La VM renverra une adresse modifiée lorqu un programme voudra accéder à l adresse de l IDTR Inconvénient: ne marche pas avec grsec ou PAX

56 Exemple de code (1/2) #include <stdio.h> typedef struct { unsigned short limit; unsigned int base; } attribute ((packed)) s_idtr;

57 Exemple de code (2/2) int main(void) { s_idtr idtr; asm volatile ( sidt %0 : =m (idtr): ); printf ( adresse IDTR = %x\n, idtr); return 0; }

58 Résultats Dans un environnement non virtualisé : $ gcc redpill.c o redpill $./redpill IDT Base: 20000fff Dans un environnement virtualisé : $ gcc redpill.c o redpill $./redpill IDT Base: ff

59 Conclusion

60 Principe virtualisation : Bibliography (1/2) /6/ 0de%20l'art%20-%20Akersia.pdf

61 Sécurité : Misc n 32 Bibliography (2/2)

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