[論文レビュー] Securing the Storage Data Path with SGX Enclaves

Danny Harnik, Eliad Tsfadia+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Advanced Data Storage Technologies参考文献 13被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、ストレージシステムにおけるデータの静的暗号化を保護するためにIntel SGXエナclaveを用いる性能を評価しており、特に最適なバッファサイズと効率的な暗号ライブラリを用いた注意深い設定により、SGXはネイティブ性能の90–99％を達成できることを示している。研究では、SGXが高スループットの暗号化を可能にする一方で、スレッド数、メモリアクセスパターン、ECALLのオーバーヘッドといった実装の詳細に極めて敏感であることが明らかになった。

ABSTRACT

We explore the use of SGX enclaves as a means to improve the security of handling keys and data in storage systems. We study two main configurations for SGX computations, as they apply to performing data-at-rest encryption in a storage system. The first configuration aims to protect the encryption keys used in the encryption process. The second configuration aims to protect both the encryption keys and the data, thus providing end-to-end security of the entire data path. Our main contribution is an evaluation of the viability of SGX for data-at-rest encryption from a performance perspective and an understanding of the details that go into using enclaves in a performance sensitive environment. Our tests paint a complex picture: On the one hand SGX can indeed achieve high encryption and decryption throughput, comparable to running without SGX. On the other hand, there are many subtleties to achieving such performance and careful design choices and testing are required.

研究の動機と目的

• ストレージシステムにおけるデータの静的暗号化パスを保護するためにIntel SGXエナクラーブを用いる実用性を評価すること。
• SGXエナクラーブ内で暗号処理を実行する際のパフォーマンスボトルネックと設計上のトレードオフを特定すること。
• エナクラーブベースの暗号化が、パフォーマンスに敏感なストレージワークロードにおいて、信頼できない実行と同等のスループットを達成できるかどうかを検証すること。
• バッファサイズ、マルチスレーディング、メモリアクセスパターンといったシステムレベル要因がエナクラーブパフォーマンスに与える影響を理解すること。

提案手法

• 暗号鍵の保護のみを目的としたエナクラーブ構成と、鍵とデータをエンドツーエンドで保護する構成の2通りを実装した。
• さまざまなバッファサイズ、スレッド数、メモリアクセスパターン（通常メモリ対暗号化メモリ）を想定した、暗号化スループットを測定するマイクロベンチマークを実施した。
• 高いパフォーマンスを発揮するOpaqie暗号ライブラリ（SGX向けに移植済み）を用い、非効率なデフォルトライブラリを回避した。
• 1〜8スレッドの範囲で、安定した、かつ完全に利用されたシステム測定が得られるよう、ウォームアップおよびクールダウンフェーズを実施した。
• 同一ワークロード下で、信頼できない（ネイティブ）実行モードと信頼できる（SGXエナクラーブ）実行モードの両方でパフォーマンスを測定した。
• 特に暗号化メモリ環境下で、ECALLのコンテキストスイッチ、キャッシュミス、EPCページングがスループットに与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SGXエナクラーブは、エナクラーブを用いないネイティブ実行と同等の高スループットのデータの静的暗号化を達成できるか？
• RQ2 バッファサイズ、スレッド数、メモリアクセスパターンは、SGXエナクラーブ内での暗号化パフォーマンスにどのように影響するか？
• RQ3 エナクラーブベースの暗号化における主なパフォーマンスボトルネック（例：ECALLのオーバーヘッド、キャッシュミス）は何か？
• RQ4 通常メモリと比較して、暗号化メモリ（EPC）で実行すると、パフォーマンスがどの程度低下するか？
• RQ5 暗号ライブラリ選択やマルチスレーディング戦略といった設計選択が、SGXにおける最終的なスループットにどのように影響するか？

主な発見

• 最適なバッファサイズ（例：512KB–1MB）を用いることで、SGXエナクラーブは鍵保護およびエンドツーエンド暗号化において、ネイティブ実行の90–99％のスループットを達成した。
• バッファサイズが1MBを超えると、キャッシュミスが原因でマルチスレッド性能が著しく低下し、信頼できない実行と信頼できる実行の両方に影響を及めた。
• 暗号化メモリ（EPC）で実行した場合、最適なバッファサイズを用いても、4スレッドで信頼できない実行と比較して約10％のパフォーマンス低下が生じた。
• 小さなバッファはECALLのオーバーヘッドを高め、大きなバッファはキャッシュスラッシングを引き起こし、最適なパフォーマンスを得るための狭い「最適領域」が存在した。
• 信頼できる実行と信頼できない実行のパフォーマンスギャップは、EPCページングとメモリ暗号化がレイテンシを追加する暗号化メモリ環境で最も顕著に現れた。
• 一様に効果的な設定は存在せず、パフォーマンスはシステム負荷、スレッド数、バックグラウンド作業に極めて敏感であり、テストなしでは予測がほぼ不可能であった。