[論文レビュー] CURE: A Security Architecture with CUstomizable and Resilient Enclaves

Raad Bahmani, Ferdinand Brasser+5 more|TUbilio (Technical University of Darmstadt)|Oct 29, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 75被引用数 27

ひとこと要約

Cureは、現代の高性能システム向けに、カスタム可能で耐障害性のあるエナclave——サブスペース、ユーザースペース、自己完結型エナclave——を導入する画期的なハードウェア支援型セキュリティアーキテクチャである。このアーキテクチャは、特権レベル間での細粒度の隔離、CPU、キャッシュ、周辺機器などのリソースの排他的割り当て、実用的なキャッシュ側帯域攻撃防御を提供する。RISC-Vベンチマークにおいて、最小限のハードウェア変更で幾何平均15.33％のパフォーマンスオーバーヘッドを達成している。

ABSTRACT

Security architectures providing Trusted Execution Environments (TEEs) have been an appealing research subject for a wide range of computer systems, from low-end embedded devices to powerful cloud servers. The goal of these architectures is to protect sensitive services in isolated execution contexts, called enclaves. Unfortunately, existing TEE solutions suffer from significant design shortcomings. First, they follow a one-size-fits-all approach offering only a single enclave type, however, different services need flexible enclaves that can adjust to their demands. Second, they cannot efficiently support emerging applications (e.g., Machine Learning as a Service), which require secure channels to peripherals (e.g., accelerators), or the computational power of multiple cores. Third, their protection against cache side-channel attacks is either an afterthought or impractical, i.e., no fine-grained mapping between cache resources and individual enclaves is provided. In this work, we propose CURE, the first security architecture, which tackles these design challenges by providing different types of enclaves: (i) sub-space enclaves provide vertical isolation at all execution privilege levels, (ii) user-space enclaves provide isolated execution to unprivileged applications, and (iii) self-contained enclaves allow isolated execution environments that span multiple privilege levels. Moreover, CURE enables the exclusive assignment of system resources, e.g., peripherals, CPU cores, or cache resources to single enclaves. CURE requires minimal hardware changes while significantly improving the state of the art of hardware-assisted security architectures. We implemented CURE on a RISC-V-based SoC and thoroughly evaluated our prototype in terms of hardware and performance overhead. CURE imposes a geometric mean performance overhead of 15.33% on standard benchmarks.

研究の動機と目的

• 一様なエナclaveモデルに依存する既存のTEEの限界を是正すること。このモデルは多様なサービス要件を満たせない。
• 個々のエナclaveに対してCPUコア、キャッシュウェイ、周辺機器などのシステムリソースへの安全で排他的なアクセスを可能にすること。
• OS全体の変更に依存せず、キャッシュサイドチャnel攻撃および制御されたサイドチャネル攻撃に対する実用的で効率的な防御を提供すること。
• 機械学習aaSやセンサ接続型サービスを含む多様なワークロードをサポートするため、エナclaveが複数の特権レベルおよびコアを跨ぐことを可能にすること。
• 変更のないアプリケーションをサポートし、異なるセキュリティコンテキスト間で強力な隔離を実現する、柔軟でアーキテクチャに依存しないTEEを設計すること。

提案手法

• サブスペースエナclave（全特権レベルでの垂直的隔離用）、ユーザースペースエナclave（非特権アプリケーション用）、自己完結型エナclave（複数の特権レベルおよびCPUコアを跨ぐ）の3種類の異なるエナclaveタイプを導入する。
• 新しいシステムバスおよびキャッシュ制御メカニズムを用いて、ハードウェアによるリソース割り当てを実装し、キャッシュウェイ、CPUコア、周辺機器を個々のエナclaveに排他的に割り当てることを可能にする。
• 動的キャッシュパーティショニングを用い、キャッシュウェイを構成可能な境界でエナclaveに割り当てることで、キャッシュサイドチャネル攻撃に対する細粒度で実行時調整可能な隔離を実現する。
• 直接的かつ排他的な周辺機器（例：アクセラレータ）のバインディングを可能にするセキュアなI/Oバインディングを統合し、信頼できないOSやハイパーバイザーの仲介に依存しないようにする。
• 既存のRISC-V拡張子を活用し、最小限のハードウェア変更でエナclave作成、メモリ暗号化、特権レベル隔離を実現し、新しいプロセッサマイクロアーキテクチャの導入を不要とする。
• 高コストのデータオービウスアルゴリズムやOSレベルの変更に依存しない、軽量で実用的な保護メカニズムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TEEアーキテクチャは、多様なアプリケーションワークロードおよびセキュリティ要件に適合する、複数のカスタム可能で異なるエナclaveタイプをどのようにサポートできるか？
• RQ2 パフォーマンスやハードウェアコストを著しく増加させることなく、キャッシュ、CPUコア、周辺機器などのシステムリソースを個々のエナclaveに細粒度で排他的に割り当てられるメカニズムは何か？
• RQ3 OS全体の変更や現実的でないページカラーリング方式に依存せずに、実用的で効率的なキャッシュサイドチャネル防御を達成できるか？
• RQ4 信頼できないハイパーバイザーまたはOSコンponentの干渉を防ぐために、エナclaveへのセキュアなI/Oバインディングをどのように実現できるか？
• RQ5 オープンソースのRISC-V上で、最小限のハードウェア変更で強力なセキュリティ保証を維持しつつ、TEEアーキテクチャを実装できる範囲はどの程度か？

主な発見

• Cureは、サブスペース、ユーザースペース、自己完結型エナclaveの3種類の異なるエナclaveタイプをサポートする最初のTEEアーキテクチャを提供し、特権レベルおよび実行コンテキスト間での柔軟な隔離を可能にする。
• このアーキテクチャは、CPUコア、キャッシュウェイ、周辺機器を個々のエナclaveに排他的に割り当てることができ、強力な隔離を確保し、リソースベースのサイドチャネル漏洩を防止する。
• Cureの動的キャッシュパーティショニングにより、キャッシュウェイをエナclaveに細粒度で実行時設定可能なマッピングが可能となり、キャッシュサイドチャネル攻撃に対する実用的で効率的な防御が提供される。
• RISC-VベースのSoC上で実装されたプロトタイプは、標準ベンチマーク全体で幾何平均15.33％のパフォーマンスオーバーヘッドを示し、低ランタイムコストを実証している。
• Cureの設計は、高コストのデータオービウスアルゴリズムやOSレベルの変更に依存せず、先行研究よりもスケーラブルで実用的なソリューションを提供する。
• SGX、SEV、TrustZoneなどの既存のTEEとは異なり、Cureは外部ハードウェアや代替策を必要とせず、ネイティブにセキュアな周辺機器バインディングとマルチエナclave隔離をサポートする。