[論文レビュー] Elasticlave: An Efficient Memory Model for Enclaves

Jason Zhijingcheng Yu, Shweta Shinde+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

Elasticlave は、信頼実行環境（TEE）における柔軟で安全なメモリモデルを提案し、エンクラーブが他のエンクラーブおよびオペレーティングシステム（OS）とメモリを一時的かつ選択的に共有できるようにすることで、高コストなデータコピー操作を排除する。RTL設計のRISC-Vコア上で評価された結果、空間的隔離モデルと比較して1〜2桁の性能向上を達成し、同等のセキュリティ保証と小さな信頼計算基盤（TCB < 7,000 LoC）を維持した。

ABSTRACT

Trusted-execution environments (TEE), like Intel SGX, isolate user-space applications into secure enclaves without trusting the OS. Thus, TEEs reduce the trusted computing base, but add one to two orders of magnitude slow-down. The performance cost stems from a strict memory model, which we call the spatial isolation model, where enclaves cannot share memory regions with each other. In this work, we present Elasticlave---a new TEE memory model that allows enclaves to selectively and temporarily share memory with other enclaves and the OS. Elasticlave eliminates the need for expensive data copy operations, while offering the same level of application-desired security as possible with the spatial model. We prototype Elasticlave design on an RTL-designed cycle-level RISC-V core and observe 1 to 2 orders of magnitude performance improvements over the spatial model implemented with the same processor configuration. Elasticlave has a small TCB. We find that its performance characteristics and hardware area footprint scale well with the number of shared memory regions it is configured to support.

研究の動機と目的

• Intel SGX などの既存 TEE における空間的隔離メモリモデルが引き起こす性能ボトルネックを解消すること。このモデルは、エンクラーブ間通信のための高コストなデータコピーを義務付ける。
• 空間的隔離モデルの硬直性を克服すること。このモデルは、メモリを静的かつ固定に公開領域とプライベート領域に分割するため、一般的なデータ処理パターンとの互換性が制限される。
• エンクラーブと OS 間で共有メモリ領域に対する動的で細かく制御可能なアクセス権限を実現するメモリモデルを設計すること。信頼できる OS を仲介者として使用しないこと。
• 信頼できない OS や、侵害された可能性のあるエンクラーブが存在する状況下でも、特権昇格、TOCTOU 攻撃、不正アクセスを防止する強固なセキュリティ保証を確保すること。
• 信頼計算基盤（TCB）とハードウェアの複雑さを最小限に抑えつつ、複数のメモリ領域にわたる効率的でスケーラブルなメモリ共有を実現すること。

提案手法

• 空間的隔離モデルを緩和し、エンクラーブがアクセス権限を設定可能で時間的に変化する共有メモリ領域を他のエンクラーブや OS と共有できる新しいメモリモデル「Elasticlave」を導入する。
• 非侵害されたエンクラーブが共有領域に対するアクセス制御の変更を順序制御できる仕組みを設計し、アプリケーションレベルのセキュリティポリシーが強制されることを保証する。
• 800 MHz のオープンソースで RTL レベルの RISC-V プロセッサ上でモデルを実装し、サイクル正確なシミュレータを用いて性能とハードウェアコストを評価する。
• ページレベルの保護とメモリ暗号化といった既存の TEE 機構と統合し、共有データの機密性と整合性を確保する。
• 最小限の TCB（<7,000 LoC）を実現し、ハードウェアオーバーヘッドを最適化。8つの物理メモリ保護（PMP）エントリあたり約1%の面積増加を達成。
• 合成ベンチマークと実世界のベンチマークを用いて設計を評価し、共有メモリ領域の数に応じた性能向上とスケーラビリティを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できない OS や侵害された可能性のあるエンクラーブが存在する状況下でも、高コストなデータコピーに依存せずに、OS およびエンクラーブ間で安全かつ動的なメモリ共有を実現できる TEE メモリモデルを設計できるか？
• RQ2 空間的隔離モデルを緩和しても、特に信頼できない OS や侵害されたエンクラーブが存在する状況下でも、強固なセキュリティ保証を維持する方法は何か？
• RQ3 TEE における共有メモリの有効化に伴う性能オーバーヘッドはどの程度で、共有領域の数やコンテキストスイッチの回数に応じてどのようにスケーリングするか？
• RQ4 柔軟で細かく制御可能なメモリ共有を安全に実現するにあたり、TCB やハードウェアの複雑さを最小限に抑えられるか？
• RQ5 Elasticlave は、アプリケーションが求めるセキュリティを損なわずに、既存の空間的隔離モデルと比較してどの程度の性能向上を達成できるか？

主な発見

• 同じ RISC-V プロセッサ構成下で、Elasticlave は空間的隔離モデルと比較して 1〜2 桁の性能向上を達成し、測定されたスピードアップは 10× から 100× にのぼる。
• 性能オーバーヘッドの主な要因は、エンクラーブ間のコンテキストスイッチの回数であり、共有データのサイズとは無関係であるため、通信頻度に応じて効率的にスケーリングされる。
• PMP エントリ 8 個あたり約 1% のハードウェア面積増加が生じ、共有メモリ領域の数に応じた良好なスケーラビリティを示している。
• 重要なパス遅延とレジスタ圧力に変化はなく、プロセッサのタイミングおよびリソース利用に最小限の影響を与える。
• TCB は 7,000 行未満に抑えられ、設計が信頼計算基盤を顕著に拡大しないことを確認した。
• この設計により、プライベート領域とパブリック領域間の高コストなデータコピー操作が完全に不要となり、現在の TEE における主要な性能ボトルネックを直接解消した。