[論文レビュー] SvTPM: A Secure and Efficient vTPM in the Cloud

Juan Wang, Chengyang Fan+6 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Security and Verification in Computing参考文献 33被引用数 8

ひとこと要約

SvTPM は、Intel SGX を介して保護されるソフトウェアベースの vTPM を提案し、物理的 TPM に依存することなく、強力なランタイム隔離と高いパフォーマンスを実現する。NVRAM の代替、ロールバック、信頼関係確立、信頼できる時計の課題を軽減し、ハードウェア保護 vTPM よりも 2600 倍速い起動を達成し、命令遅延がミリ秒未塔である。

ABSTRACT

Virtual Trusted Platform Modules (vTPMs) have been widely used in commercial cloud platforms (e.g. Google Cloud, VMware Cloud, and Microsoft Azure) to provide virtual root-of-trust for virtual machines. Unfortunately, current state-of-the-art vTPM implementations are suffering from confidential data leakage and high performance overhead. In this paper, we present SvTPM, a secure and efficient software-based vTPM implementation based on hardware-rooted Trusted Execution Environment (TEE), providing a whole life cycle protection of vTPMs in the cloud. SvTPM offers strong isolation protection, so that cloud tenants or even cloud administrators cannot get vTPM's private keys or any other sensitive data. In SvTPM, we identify and solve a couple of critical security challenges for vTPM protection with SGX, such as NVRAM replacement attack, rollback attacks, trust establishment, and a fine-grained trusted clock. We implement a prototype of SvTPM on both QEMU and KVM. Performance evaluation results show that SvTPM achieves orders of magnitude of performance gains comparing to the vTPMs protected with physical TPM. The launch time of SvTPM is 2600$ imes$ faster than vTPMs built upon hardware TPM. In the micro-benchmarks evaluation, we find that the command execution latency of SvTPM is smaller than or equal to the existing schemes.

研究の動機と目的

• 既存の vTPM 解決策が物理的 TPM や弱い隔離メカニズムに依存するため、ランタイムセキュリティ保護が不足している問題に対処する。
• 仮想化クラウド環境における物理的 TPM の低 I/O スループットとリソース制限が引き起こすパフォーマンスのボトルネックを克服する。
• ハードウェアに根ざした信頼実行環境 (SGX) を用いて、vTPM コンponent をクラウド利用者や管理者から強力に隔離する。
• SGX エンclave内でのソフトウェアベース vTPM に特有のセキュリティ課題、NVRAM の代替、ロールバック攻撃、信頼関係確立を解決する。
• TPM の整合性と承認ポリシーをサポートするための細粒度の信頼できる時計メカニズムを設計する。

提案手法

• 物理的 TPM に依存せず、Intel SGX エンclave内にソフトウェアベース vTPM をデプロイし、ハードウェアに根ざした隔離を実現。これにより、プライベートキーおよび機密データがハイパーバイザーおよびクラウド管理者から保護される。
• SGX エンclaveに暗号的にバインドされた安全な NVRAM ファイル抽象化を実装。これにより、悪意あるハイパーバイザーまたはクラウド管理者による不正な代替が防止される。
• vTPM の ID を SGX プラットフォームにバインドする、新しい信頼関係確立プロトコルを導入。これにより、TPM チップの物理的 EK に依存する必要がなくなる。
• 単調カウンタと密封状態に基づくロールバック保護メカニズムを設計。これにより、vTPM 状態に対する再送りやダウングレード攻撃が防止される。
• SGX のタイムスタンプカウンタと安全な時刻同期を活用した細粒度の信頼できる時計を実装。これにより、TPM のロックアウトおよび承認ポリシーがサポートされる。
• KVM および QEMU 仮想化プラットフォームと統合。TPM 2.0 の完全な仕様と複数の暗号アルゴリズムをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェアに根ざした信頼実行環境 (SGX) のみを用いて、ソフトウェアベース vTPM をクラウド環境および仮想マシンモニタからどのように安全に隔離できるか？
• RQ2 vTPM の永続的ストレージが信頼できないゲストメモリに格納される場合、NVRAM の代替攻撃を防ぐにはどのようなメカニズムが必要か？
• RQ3 物理的 TPM のエンドースメントキーに依存せずに、ソフトウェア生成 vTPM の ID に対して信頼関係を確立するにはどうすればよいか？
• RQ4 vTPM 状態および暗号的値に対するロールバック攻撃を防ぐために、どのような安全なメカニズムが必要か？
• RQ5 TPM の整合性および承認ポリシーをサポートするため、ソフトウェア vTPM に細粒度の信頼できる時計をどのように実装できるか？

主な発見

• SvTPM は、物理的 TPM で保護された vTPM よりも 2600 倍速い起動時間を達成し、顕著なパフォーマンス向上を示した。
• SvTPM の命令実行遅延は、既存の手法と同等またはそれ未満であり、暗号演算にかかるオーバーヘッドが小さいことを示している。
• プロトタイプ実装は KVM および QEMU 仮想化プラットフォームを両方サポートしており、主流のクラウド仮想化スタックとの互換性が確認された。
• SvTPM は、NVRAM ファイルを暗号的シーリングとアテステーションにより SGX エンclaveにバインドすることで、NVRAM の代替攻撃を効果的に防止した。
• 単調カウンタと状態のシーリングを用いたメカニズムにより、vTPM 状態が以前の改ざん済みバージョンに戻されるのを防ぎ、ロールバック攻撃を防止した。
• SGX エンclaveのリモートアテステーションにより、vTPM の ID に対する信頼関係を確立し、物理的 TPM ハードウェアへの依存を排除した。