[논문 리뷰] Elasticlave: An Efficient Memory Model for Enclaves

Jason Zhijingcheng Yu, Shweta Shinde외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 16.

Security and Verification in Computing참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

Elasticlave는 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEE)를 위한 유연하고 안전한 메모리 모델을 제안하며, 도우미로써의 OS와 애드버서리 간에 메모리를 선택적이고 일시적으로 공유할 수 있도록 하여 고비용 데이터 복사 작업을 제거한다. RTL 설계된 RISC-V 커널에서 평가한 결과, 공간 격리 모델 대비 1~2개의 지수 범위 성능 향상을 달성하면서도 동일한 보안 보장을 유지하고, 신뢰할 수 있는 계산 기반(TCB)은 7,000 행 미만으로 유지된다.

ABSTRACT

Trusted-execution environments (TEE), like Intel SGX, isolate user-space applications into secure enclaves without trusting the OS. Thus, TEEs reduce the trusted computing base, but add one to two orders of magnitude slow-down. The performance cost stems from a strict memory model, which we call the spatial isolation model, where enclaves cannot share memory regions with each other. In this work, we present Elasticlave---a new TEE memory model that allows enclaves to selectively and temporarily share memory with other enclaves and the OS. Elasticlave eliminates the need for expensive data copy operations, while offering the same level of application-desired security as possible with the spatial model. We prototype Elasticlave design on an RTL-designed cycle-level RISC-V core and observe 1 to 2 orders of magnitude performance improvements over the spatial model implemented with the same processor configuration. Elasticlave has a small TCB. We find that its performance characteristics and hardware area footprint scale well with the number of shared memory regions it is configured to support.

연구 동기 및 목표

• 기존 TEE, 예를 들어 인텔 SGX에서 발생하는 공간 격리 메모리 모델로 인한 고비용 데이터 복사로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• 정적 메모리 영역을 공용 및 비공용 영역으로 나누는 데서 비롯되는 공간 격리 모델의 경직성 문제를 해결한다. 이는 일반적인 데이터 처리 패턴과의 호환성을 제한한다.
• 에이전트와 OS 간에 공유 메모리 영역에 대해 동적이고 세밀한 권한 제어를 가능하게 하는 메모리 모델을 설계한다. 이는 신뢰할 수 없는 OS를 중개자로 사용하지 않는다.
• 신뢰할 수 없는 OS와 잠재적으로 손상된 에이전트가 존재하는 상황에서도 권한 상향 공격, TOCTOU 공격 및 비승인 접근을 방지하는 강력한 보안 보장을 확보한다.
• 메모리 공유를 효율적이고 확장 가능하게 하기 위해 신뢰할 수 있는 계산 기반(TCB)과 하드웨어 복잡성을 최소화한다.

제안 방법

• 에이전트가 구성 가능한 시간에 따라 변하는 권한을 가진 메모리 영역을 공유할 수 있도록 공간 격리 모델을 완화하는 새로운 메모리 모델인 Elasticlave를 도입한다.
• 공유 영역에 대한 액세스 제어 변경 순서를 비손상된 에이전트가 강제로 적용할 수 있도록 허용하는 권한 사양 메커니즘을 설계한다. 이는 애플리케이션 수준의 보안 정책을 보장한다.
• 800 MHz에서 동작하는 오픈소스 RTL 수준의 RISC-V 프로세서에 모델을 구현하고, 사이클 정확도 시뮬레이터를 사용해 성능과 하드웨어 비용을 평가한다.
• 페이지 수준 보호 및 메모리 암호화와 같은 기존 TEE 메커니즘과 통합하여 공유 데이터의 기밀성과 무결성을 확보한다.
• 최소한의 TCB(<7,000 행)를 사용하고, 하드웨어 오버헤드를 최소화하며, 8개의 물리적 메모리 보호(PMP) 항목당 약 1%의 면적 영향을 유도한다.
• 합성 및 실제 워크로드 벤치마크를 사용해 성능 향상과 다양한 수의 공유 메모리 영역에 따른 확장성을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 없는 OS에 의존하지 않고, 에이전트와 OS 간에 안전하고 동적 메모리 공유를 가능하게 하는 TEE 메모리 모델을 설계할 수 있는가?
• RQ2 공간 격리 모델을 완화함에 있어, 특히 신뢰할 수 없는 OS와 잠재적으로 손상된 에이전트가 존재하는 상황에서도 강력한 보안 보장을 유지할 수 있는가?
• RQ3 TEE에서 공유 메모리를 활성화할 경우 성능 오버헤드는 얼마이며, 공유 영역의 수와 컨텍스트 스위치 수에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 탄력적이고 세밀한 메모리 공유를 안전하게 지원하면서도 TCB와 하드웨어 복잡성을 최소화할 수 있는가?
• RQ5 Elasticlave는 기존 공간 격리 모델 대비 응용 프로그램이 원하는 보안을 희생시키지 않고 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 동일한 RISC-V 프로세서 구성에서 Elasticlave는 공간 격리 모델 대비 1~2개의 지수 범위 성능 향상을 달성했으며, 측정된 속도 향상은 10배에서 100배에 이른다.
• 성능 오버헤드는 주로 에이전트 간 컨텍스트 스위치 수에 의해 결정되며, 공유 데이터 크기와는 관련이 없다. 이는 통신 빈도에 따라 효율적으로 확장됨을 시사한다.
• 공유 메모리 영역 수에 따라 하드웨어 면적 영향은 약 8개의 PMP 항목당 1% 증가하며, 이는 공유 영역 수에 따른 우수한 확장성을 보여준다.
• 비결정 경로 지연과 레지스터 압박은 그대로 유지되어, 프로세서 타이밍과 자원 활용에 미치는 영향이 최소임을 나타낸다.
• TCB는 7,000 행 이하로 유지되어 설계가 신뢰할 수 있는 계산 기반을 크게 확장하지 않음을 확인한다.
• 설계는 비공용 및 공용 메모리 영역 간 고비용 데이터 복사 작업이 필요 없도록 완전히 제거하여 현재 TEE에서 주요 성능 저하 요인인 문제를 직접 해결했다.