[論文レビュー] Trusted Container Extensions for Container-based Confidential Computing

Ferdinand Brasser, Patrick Jauernig+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Security and Verification in Computing被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、Dockerの柔軟性とAMD SEVを用いたハードウェア強制型 Trusted Execution Environments (TEEs) を組み合わせることで、信頼できないクラウド環境におけるコンテナワークロードの強力な機密性および整合性を保証する、新しいコンテナセキュリティアーキテクチャである Trusted Container Extensions (TCX) を提案する。TCXは、軽量なセキュアコンテナVMとKata Containersへのシームレスな統合を活用することで、SPEC2017ベンチマークで5.77%のわずかなパフォーマンスオーバーヘッドを実現する。

ABSTRACT

Cloud computing has emerged as a corner stone of today's computing landscape. More and more customers who outsource their infrastructure benefit from the manageability, scalability and cost saving that come with cloud computing. Those benefits get amplified by the trend towards microservices. Instead of renting and maintaining full VMs, customers increasingly leverage container technologies, which come with a much more lightweight resource footprint while also removing the need to emulate complete systems and their devices. However, privacy concerns hamper many customers from moving to the cloud and leveraging its benefits. Furthermore, regulatory requirements prevent the adaption of cloud computing in many industries, such as health care or finance. Standard software isolation mechanisms have been proven to be insufficient if the host system is not fully trusted, e.g., when the cloud infrastructure gets compromised by malicious third-party actors. Consequently, confidential computing is gaining increasing relevance in the cloud computing field. We present Trusted Container Extensions (TCX), a novel container security architecture, which combines the manageability and agility of standard containers with the strong protection guarantees of hardware-enforced Trusted Execution Environments (TEEs) to enable confidential computing for container workloads. TCX provides significant performance advantages compared to existing approaches while protecting container workloads and the data processed by them. Our implementation, based on AMD Secure Encrypted Virtualization (SEV), ensures integrity and confidentiality of data and services during deployment, and allows secure interaction between protected containers as well as to external entities. Our evaluation shows that our implementation induces a low performance overhead of 5.77% on the standard SPEC2017 benchmark suite.

研究の動機と目的

• 信頼できないクラウドプロバイダー下で、従来の隔離メカニズムが機能しない、急増するクラウドネイティブコンテナワークロードにおける強力なセキュリティニーズに対処すること。
• 既存のTEEベースのコンテナソリューションの限界、例えば高いパフォーマンスオーバーヘッド、柔軟性に欠けるメモリ管理、悪意あるクラウドプロバイダーに対する脆弱性を克服すること。
• Docker や Kata Containers などの既存のコンテナエコシステムとシームレスに統合できる汎用的で拡張可能なアーキテクチャを設計すること。
• コンテナワークロードのエンドツーエンド保護、すなわち安全なデプロイ、ランタイムの整合性、および安全なコンテナ間通信を確保すること。
• ハードウェア強制型TEEsが、管理性やパフォーマンスを犠牲にすることなく、コンテナワークロードに効率的に適用可能であることを実証すること。

提案手法

• TCXは、AMD SEVなどのハードウェア強制型TEEsを用いて、1ホストあたり1つの信頼できるセキュアコンテナVM（SC-VM）を用いて、複数の隔離されたコンテナワークロードを管理する。
• 各コンテナは、専用の軽量なSC-VM内で実行され、メモリ暗号化と隔離を提供するため、ホストが侵害されてもデータの機密性と整合性が保証される。
• Kata Containersプロジェクトと統合することで、SC-VM内でネイティブなDockerコンテナライフサイクル管理とシステムコール処理が可能になる。
• SC-VMと外部エントリポイント間の安全な通信チャネルを、認証済みで暗号化されたメッセージングプロトコルを用いて提供する。
• 安全なストレージとリモートアテステーションをサポートし、機密データを露呈せずにコンテナワークロードの信頼性を検証可能にする。
• カーネルの変更を回避し、AMD SEV、Intel TDX、Arm CCAを含む複数のTEEをサポートすることで、現代のCPUアーキテクチャ間でのポータビリティを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Dockerの管理性とハードウェア強制型TEEsによる強力な隔離性を併せ持つコンテナセキュリティアーキテクチャを構築できるか？
• RQ2 パフォーマンスオーバーヘッドが著しく増大しないように、TEEsをコンテナワークロードに効率的に適用する方法は何か？
• RQ3 攻撃面積を最小限に抑えながら、安全なシステムコール処理とコンテナ間通信を実現できるか？
• RQ4 TCXは、内部脅威および悪意あるクラウドプロバイダーの両方に対して、どの程度の保護を提供できるか？
• RQ5 複数のTEEアーキテクチャをサポートする汎用的でポータブルなコンテナセキュリティフレームワークを構築することは可能か？

主な発見

• TCXは、標準的なSPEC2017ベンチマークスイートにおいて、わずか5.77%のパフォーマンスオーバーヘッドを達成し、コンテナ環境における機密計算の高効率性を実証した。
• NGINXではネットワークスループットオーバーヘッドが22.1%、Apacheでは13.36%であり、ウェブワークロードにおいて優れたパフォーマンス特性を示した。
• アーキテクチャは、ホストが侵害されても、コンテナワークロードの静的状態、デプロイ時、実行時における機密性と整合性を効果的に保護した。
• 認証済みチャネルを用いて、保護されたコンテナと外部エントリポイント間の安全で透明な通信を実現した。
• AMD SEV、Intel TDX、Arm CCAを含む複数のTEEをサポートしており、現代のハードウェアプラットフォーム間でのポータビリティを実現した。
• カーネルの変更を回避し、コード署名制限も不要であるため、SGXベースのソリューションと比較して、使いやすさとセキュリティが向上した。