[論文レビュー] SPX: Preserving End-to-End Security for Edge Computing

Ketan Bhardwaj, Ming-Wei Shih+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 30被引用数 7

ひとこと要約

SPXは、TLS や Noise などのプロトコルをIntel SGXベースのリモートアテステーションで拡張することで、エッジ関数がセキュリティを損なわず、パフォーマンスの保証も維持したまま暗号化されたトラフィックを処理できるエンドツーエンドの安全なエッジコンピューティングを可能にするフレームワークである。E³セキュリティ（エンドツーエンドの意味論と同等）を達成しつつ、クライアントに対して透過的で、低オーバーヘッドである。

ABSTRACT

Beyond point solutions, the vision of edge computing is to enable web services to deploy their edge functions in a multi-tenant infrastructure present at the edge of mobile networks. However, edge functions can be rendered useless because of one critical issue: Web services are delivered over end-to-end encrypted connections, so edge functions cannot operate on encrypted traffic without compromising security or degrading performance. Any solution to this problem must interoperate with existing protocols like TLS, as well as with new emerging security protocols for client and IoT devices. The edge functions must remain invisible to client-side endpoints but may require explicit control from their service-side web services. Finally, a solution must operate within overhead margins which do not obviate the benefits of the edge. To address this problem, this paper presents SPX - a solution for edge-ready and end-to-end secure protocol extensions, which can efficiently maintain end-to-edge-to-end ($E^3$) security semantics. Using our SPX prototype, we allow edge functions to operate on encrypted traffic, while ensuring that security semantics of secure protocols still hold. SPX uses Intel SGX to bind the communication channel with remote attestation and to provide a solution that not only defends against potential attacks but also results in low performance overheads, and neither mandates any changes on the end-user side nor breaks interoperability with existing protocols.

研究の動機と目的

• エッジ関数がエンドツーエンド暗号化トラフィックを処理できるようにするが、エンドツーエンドのセキュリティ保証やパフォーマンスを損なわないという、極めて重要な課題に取り組む。
• 既存および将来のセキュアプロトコル（例：TLS、Noise）と、IoTやモバイルクライアントを含む多様なクライアントデバイスとの相互運用性を確保する。
• エンドユーザーのデバイスやプロトコルに変更を加える必要がない、透過的で侵襲のない運用を提供する。
• リモートアテステーションに対する既知の攻撃（例：TOCTTOU攻撃、クックー攻撃）を、安全な実行環境を通信チャネルに束縛することで緩和する。
• マルチテント、分散型エッジインfraストラクチャにおいて実用的に展開可能であり、パフォーマンスオーバーヘッドを最小限に抑えること。

提案手法

• TLS や Noise といった既存のセキュアプロトコルに SPX プロトコル拡張を適用し、エッジで暗号化トラフィックへの安全で認証済みアクセスを可能にする。
• Intel SGX を用いてエッジ関数を隔離し、エッジ実行環境の信頼性を検証するリモートアテステーションを強制する。
• リモートアテステーションレポートをチャネルバインディング機構を通じてTLSセッションに直接束縛することで、TOCTTOUおよびクックー攻撃を防止する。
• Webサービス側にSPXを統合し、暗号化トラフィックへのアクセス制御を実施することで、認証済みかつアテステーション済みのエッジ関数のみがデータを復号・処理できるようにする。
• SGXのメモリ暗号化およびセキュアエナclaveを活用して、処理中のデータを保護しつつ、最適化された暗号演算によりパフォーマンスへの影響を最小限に抑える。
• クライアントに対して透過的であるようにシステムを設計し、エンドデバイスでのクライアント側の変更や新しいプロトコルの導入を一切不要にしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジ関数がエンドツーエンド暗号化トラフィックを処理できるが、エンドツーエンドのセキュリティ保証を損なわない方法は何か？
• RQ2 既存のプロトコル（例：TLS）および新興プロトコル（例：Noise）と相互運用可能であり、かつエンドユーザーのデバイスに対して透過的なソリューションを構築できるか？
• RQ3 リモートアテステーションを通信チャネルに安全に束縛することで、エッジ環境におけるTOCTTOUおよびクックー攻撃を防げるか？
• RQ4 セキュアでエッジ対応のプロトコル拡張は、どのようなパフォーマンスオーバーヘッドを伴い、エッジコンピューティングの低遅延利点を維持できるか？
• RQ5 クライアントデバイスやプロトコルに変更を加えることなく、マルチテントで分散型のエッジインfraストラクチャに展開可能か？

主な発見

• SPXは、エンドツーエンド暗号化トラフィックを処理するエッジ関数を安全に実行可能にし、エンドツーエンドセキュリティの意味論を保持することで、ネイティブなエンドツーエンド暗号化と同等のE³セキュリティを達成した。
• プロトタイプは低パフォーマンスオーバーヘッドを示しており、主にメモリページ暗号化とベクトル化された暗号演算の欠如が要因であるが、検索可能な暗号化を用いたBlindBoxなどと比較して顕著に低い。
• リモートアテステーションレポートをTLSセッションに直接束縛することで、TOCTTOUおよびクックー攻撃を防止し、復号データにアクセスできるのは信頼できるアテステーション済みエッジ関数に限定される。
• 既存プロトコルと相互運用可能であり、エンドユーザーのデバイスに変更が不要であるため、IoTやモバイルクライアントを含む多様なエッジ展開に適している。
• 従来のソリューションがセキュリティを損なうか、極めて高いパフォーマンスコストを伴うのに対し、SPXは最小限の信頼仮定で暗号化トラフィックへの完全アクセスを可能にする。
• mbTLS や SafeBricks よりも、クライアント側のIPsecやTLSの変更を不要とし、クライントラブルの必要性も排除することで、エッジ環境におけるスケーラビリティと展開可能性が向上した。