[논문 리뷰] HYDRA: HYbrid Design for Remote Attestation (Using a Formally Verified Microkernel)

Karim Eldefrawy, Norrathep Rattanavipanon외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 07.

Security and Verification in Computing인용 수 7

한 줄 요약

HYDRA는 메모리 격리와 액세스 제어를 보장하기 위해 공식적으로 검증된 seL4 마이크로 커널을 사용하는 최초의 하이브리드 원격 인증 기반 기술을 제안한다. 이는 하드웨어 수정 없이도 일반 하드웨어에서 안전하고 효율적인 인증을 가능하게 하며, Speck 기반 MAC를 사용해 10MB 메모리의 인증을 500ms 이내로 수행함으로써 실용성과 강력한 보안 보장을 입증한다. 공식 검증을 통해 강력한 보안 보장을 확보하였다.

ABSTRACT

Remote Attestation (RA) allows a trusted entity (verifier) to securely measure internal state of a remote untrusted hardware platform (prover). RA can be used to establish a static or dynamic root of trust in embedded and cyber-physical systems. It can also be used as a building block for other security services and primitives, such as software updates and patches, verifiable deletion and memory resetting. There are three major classes of RA designs: hardware-based, software-based, and hybrid, each with its own set of benefits and drawbacks. This paper presents the first hybrid RA design, called HYDRA, that builds upon formally verified software components that ensure memory isolation and protection, as well as enforce access control to memory and other resources. HYDRA obtains these properties by using the formally verified seL4 microkernel. (Until now, this was only attainable with purely hardware-based designs.) Using seL4 requires fewer hardware modifications to the underlying microprocessor. Building upon a formally verified software component increases confidence in security of the overall design of HYDRA and its implementation. We instantiate HYDRA on two commodity hardware platforms and assess the performance and overhead of performing RA on such platforms via experimentation; we show that HYDRA can attest 10MB of memory in less than 500msec when using a Speck-based message authentication code (MAC) to compute a cryptographic checksum over the memory to be attested.

연구 동기 및 목표

• 공식적으로 검증된 소프트웨어 구성 요소를 통합하여 하이브리드 원격 인증의 새로운 설계 공간을 탐색함으로써 보안 신뢰도를 향상시키는 것.
• seL4 마이크로 커널의 공식 검증을 통해 메모리 격리와 액세스 제어를 구현함으로써 전용 하드웨어에 대한 의존도를 줄이는 것.
• 강력한 보안 보장을 유지하면서도 일반 플랫폼에서 하이브리드 RA의 실용적 성능을 입증하는 것.
• 단순한 저성능 장치를 넘어서 다중 프로세스를 지원하는 임베디드 및 사이버-물리적 시스템을 대상으로 하이브리드 RA를 확장하는 것.
• 검증된 커널과 암호학적 인증을 결합하여 향후 보안 시스템의 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• HYDRA는 공식적으로 검증된 seL4 마이크로 커널을 사용하여 메모리 격리와 액세스 제어를 강제함으로써, 인증된 메모리 영역에 접근할 수 있는 프로세스가 오직 허가된 프로세스에 한해 존재하도록 보장한다.
• 인증 프로세스는 세 단계로 구성된다: 요청 검증, 메모리 매핑, 키가 부여된 MAC를 사용한 암호학적 체크섬 계산.
• 대상 프로세스의 메모리 영역은 seL4의 보안 메모리 매핑 원리를 통해 인증 프로세스의 주소 공간에 매핑된다.
• 인증된 메모리 영역에 대해 MAC 기반 함수(예: Speck-64-128)를 사용하여 암호학적 체크섬을 계산함으로써 무결성을 확보한다.
• 설계는 공식적으로 검증된 seL4 실행 파일을 활용하여, 실제 구현이 검증된 사양과 정확히 일치함을 보장한다.
• 성능 평가는 다양한 메모리 크기와 프로세스 수를 고려하여, 두 종류의 일반 보드(Sabre Lite 및 ODROID-XU4)에서 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 확장 기능이 없이도 공식적으로 검증된 소프트웨어 구성 요소만을 사용하여 하이브리드 원격 인증 기반 기술이 강력한 보안 보장을 달성할 수 있는가?
• RQ2 공식적으로 검증된 마이크로 커널을 사용할 경우, 증가하는 메모리 크기에 따라 원격 인증의 성능가 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 공식적으로 검증된 환경에서 메모리 매핑과 암호학적 체크섬 계산의 상대적 성능 오버헤드는 얼마나 되는가?
• RQ4 하드웨어 수정 없이도 일반 하드웨어 플랫폼에 하이브리드 RA를 실용적으로 구현할 수 있으며, 낮은 지연 시간을 유지할 수 있는가?
• RQ5 공식적으로 검증된 환경에서 동시 실행 프로세스 수가 증가할 경우 인증 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HYDRA는 일반 하드웨어에서 Speck 기반 MAC를 사용해 10MB 메모리의 원격 인증을 500ms 이내로 수행함으로써 실용적인 성능을 입증하였다.
• 1MB 메모리 인증 시 암호학적 체크섬 계산($MacMem$)이 총 인증 시간의 84.89%를 차지하여 성능 저하의 주요 원인이 되었다.
• 메모리 매핑($RetrieveMem$)은 총 실행 시간의 16% 미만을 차지하여, seL4의 액세스 제어 메커니즘이 최소한의 성능 오버헤드를 유발함을 시사한다.
• $MacMem$의 성능은 메모리 크기에 대해 선형적으로 증가하므로, 인증 대상 메모리가 10MB까지 예측 가능하게 확장 가능하다.
• $MacMem$의 런타임은 프로세스 수에 대해 합리적으로 선형적으로 유지되며, 다중 프로세스 환경에서의 확장성도 우수함을 보여준다.
• Speck-64-128와 BLAKE2S는 seL4에서 가장 빠른 MAC 성능을 보였으며, Sabre Lite 플랫폼에서 CBC-AES와 HMAC-SHA-256보다 최소 33% 이상 빠르게 작동하였다.