[論文レビュー] ISA-Based Trusted Network Functions And Server Applications In The Untrusted Cloud

Spyridon Mastorakis, Tahrina Ahmed+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、信頼できないクラウド環境におけるネットワーク関数（NFs）およびサーバー応用プログラムのセキュアで高性能な処理を実現する、Intel SGXベースの信頼実行環境（TEE）を提案する。SGXとDPDKを統合することで、機密性と整合性を確保しつつ、ネイティブに近い性能を達成する。平滑なトラフィックでは約22 Mpps、暗号化されたトラフィックでは約12 Mppsの性能を達成し、信頼できるクラウドネットワーキングとコンピューティングの実現可能性を示している。

ABSTRACT

Nowadays, enterprises widely deploy Network Functions (NFs) and server applications in the cloud. However, processing of sensitive data and trusted execution cannot be securely deployed in the untrusted cloud. Cloud providers themselves could accidentally leak private information (e.g., due to misconfigurations) or rogue users could exploit vulnerabilities of the providers' systems to compromise execution integrity, posing a threat to the confidentiality of internal enterprise and customer data. In this paper, we identify (i) a number of NF and server application use-cases that trusted execution can be applied to, (ii) the assets and impact of compromising the private data and execution integrity of each use-case, and (iii) we leverage Intel's Software Guard Extensions (SGX) architecture to design Trusted Execution Environments (TEEs) for cloud-based NFs and server applications. We combine SGX with the Data Plane Development KIT (DPDK) to prototype and evaluate our TEEs for a number of application scenarios (Layer 2 frame and Layer 3 packet processing for plain and encrypted traffic, traffic load-balancing and back-end server processing). Our results indicate that NFs involving plain traffic can achieve almost native performance (e.g., ~22 Million Packets Per Second for Layer 3 forwarding for 64-byte frames), while NFs involving encrypted traffic and server processing can still achieve competitive performance (e.g., ~12 Million Packets Per Second for server processing for 64-byte frames).

研究の動機と目的

• 信頼できないクラウド環境において、データの機密性と実行整合性が脅かされる中で、機密性の高いネットワーク関数やサーバー応用プログラムを展開するという重要なセキュリティ課題に対処すること。
• Intel SGXを用いた信頼実行が、具体的にどのようなNFおよびサーバー応用ワークロードにおいて意味のあるセキュリティ利点を提供できるかを同定すること。
• Intel SGXとDPDKを用いて、クラウドベースのNFおよびサーバーワークロード向けに高性能なTEEを設計・プロトタイピングすること。
• 実際のネットワーク処理シナリオにおけるSGXベースの信頼実行のパフォーマンスオーバーヘッドとトレードオフを評価すること。
• セキュアで高性能なクラウドネットワーキング分野における今後の研究のためのシステム設計上のトレードオフと未解決課題を提供すること。

提案手法

• Intel Software Guard Extensions（SGX）を活用し、機密性と整合性を保証するハードウェア保護されたエンclaveを構築することで、機密データおよびコードの保護を実現する。
• SGXとData Plane Development Kit（DPDK）を統合し、クラウド環境における高性能データパスアプリケーションのプロトタイピングを実施する。
• 複数のネットワーク処理ワークロード向けにTEEを設計：レイヤ2/3パケット処理（平滑および暗号化済み）、ロードバランシング、バックエンドサーバー処理。
• ECALL/OCALL遷移の回数を最小限に抑え、可能な限り非信頼メモリバッファを活用することでパフォーマンスオーバーヘッドを低減するが、セキュリティ上のトレードオフを管理する。
• CPUベースのリモートおよびローカルアテステーションを用いて、エンclaveの整合性と真正性を検証する。
• パフォーマンス測定およびプロファイリングを用いて、さまざまなフレームサイズおよびサーバー数におけるスループット（Mpps）およびワイヤスループット（Gbps）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できないクラウド環境における信頼実行によって、どのネットワーク関数およびサーバー応用ワークロードが最大の利点を得られるか？
• RQ2 これらのワークロードにおいて、データの機密性および実行整合性が侵害された場合の、重要な資産と脅威の影響は何か？
• RQ3 SGXとDPDKの統合が、信頼実行ネットワーク関数およびサーバー応用プログラムのパフォーマンスにどのように影響するか？
• RQ4 ECALL/OCALL遷移およびSGXエンclave内でのメモリコピーのオーバーヘッドによって引き起こされるパフォーマンスのトレードオフとボトルネックは何か？
• RQ5 ベースライン、スケーリング、パケット処理パイプラインといった異なる設計アプローチが、SGXベースのTEEにおけるパフォーマンスとスケーラビリティに与える影響は何か？

主な発見

• 平滑なトラフィックを処理するNFは、ネイティブに近いパフォーマンスを達成し、レイヤ3転送において64バイトフレームで約2200万パケット/秒（Mpps）に達する。
• 暗号化トラフィックを処理するNFおよびサーバー処理は、競争力のあるパフォーマンスを示し、バックエンドサーバー処理において64バイトフレームで約12 Mppsを達成する。
• フレームサイズが増加するにつれてパフォーマンスが低下し、15台のサーバーを用いたロードバランシングシナリオで512バイトフレームではスループットが約9 Mppsに低下する。
• ECALLおよびOCALL遷移は顕著なパフォーマンスオーバーヘッドを引き起こし、特にメモリコピーのチェックに起因する追加の5〜10％のペナルティが生じる。
• ECALL/OCALLの頻度を低減し、非信頼メモリバッファを活用することで、平均的なパフォーマンスを向上させられるが、サイドチャnel攻撃やデータ漏洩のリスクが伴う可能性がある。
• 将来的には、エグジットレスサービスによる大規模ワークロードのサポートおよび、標準Cライブラリの信頼できる統合により、OCALL依存度を低減する必要がある。