[논문 리뷰] HyperEnclave: An Open and Cross-platform Trusted Execution Environment

Yuekai Jia, Shuang Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 08.

Security and Verification in Computing인용 수 5

한 줄 요약

HyperEnclave는 가상화 확장 기능과 TPM을 활용해 하드웨어 격리를 제공하는 오픈소스이자 크로스플랫폼 신뢰성 실행 환경(Tee)입니다. 기존 인텔 SGX 프로그램을 최소한의 코드 변경 또는 변경 없이 실행할 수 있게 하며, 라이트-3, 라이트-0 또는 호스트 모드와 같은 유연한 에이클레이브 운영 모드를 지원합니다. SQLite 기준으로 오직 5%의 저오버헤드를 기록해 클라우드 및 핀테크 환경에서의 생산 환경 구축에 적합합니다.

ABSTRACT

A number of trusted execution environments (TEEs) have been proposed by both academia and industry. However, most of them require specific hardware or firmware changes and are bound to specific hardware vendors (such as Intel, AMD, ARM, and IBM). In this paper, we propose HyperEnclave, an open and cross-platform process-based TEE that relies on the widely-available virtualization extension to create the isolated execution environment. In particular, HyperEnclave is designed to support the flexible enclave operation modes to fulfill the security and performance demands under various enclave workloads. We provide the enclave SDK to run existing SGX programs on HyperEnclave with little or no source code changes. We have implemented HyperEnclave on commodity AMD servers and deployed the system in a world-leading FinTech company to support real-world privacy-preserving computations. The evaluation on both micro-benchmarks and application benchmarks shows the design of HyperEnclave introduces only a small overhead.

연구 동기 및 목표

• 기존의 SGX 애플리케이션을 하드웨어나 펌웨어 변경 없이 지원하는 오픈소스이자 이식 가능한 TEE의 부족을 해결하기 위해.
• 기존 TEE에서 고정된 운영 모드로 인해 입출력 집약적 또는 메모리 집약적인 워크로드의 성능과 기능이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 에이클레이브 관리 기능을 최소한의 러스트모니터(RustMonitor)로 격리시켜 신뢰 컴퓨팅 기반(TCB)을 줄이고 공격 표면을 최소화하기 위해.
• TPM를 통한 측정된 후기 부팅을 통해 무결성과 원격 인증을 보장하기 위해.
• 다양한 보안 및 성능 요구사항을 충족하기 위해 사용자, 커널 또는 호스트 라이트 레벨에서의 에이클레이브 운영 모드를 지원하기 위해.

제안 방법

• HyperEnclave는 AMD-V와 같은 가상화 확장 기능과 TPM을 사용해 특수 하드웨어나 펌웨어가 필요 없는 프로세스 기반 TEE를 생성합니다.
• RustMonitor라는 최소한의 신뢰할 수 있는 모니터를 도입하며, 이는 러스트로 작성되어 VMX 루트 모드에서 실행되어 메모리 격리와 에이클레이브 페이지 테이블 관리를 보장합니다.
• 시스템은 세 가지 모드로 운영됩니다: 모니터(RustMonitor), 일반(신뢰할 수 없는 주 운영 체제), 보안(에이클레이브)이며, 에이클레이브는 다양한 특권 수준에서 실행됩니다.
• 메모리 격리는 신뢰할 수 있는 RustMonitor가 에이클레이브의 페이지 테이블과 페이지 장애 처리를 전적으로 관리함으로써 이루어지며, 운영 체제의 간섭을 제거하고 페이지 테이블 기반 공격을 방지합니다.
• 측정된 후기 부팅을 통해 보안을 확보합니다: 주 운영 체제가 먼저 부팅된 후 커널 모듈이 RustMonitor를 시작하고 모든 부팅 구성 요소를 TPM PCRs에 측정합니다.
• 에이클레이브 SDK는 인텔 SGX와 API 호환성을 가지며, 기존 SGX 코드를 거의 또는 전혀 수정하지 않고 재컴파일할 수 있습니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 CPU나 펌웨어 수정 없이도 일반 하드웨어에서 프로세스 기반 TEE를 구축할 수 있는가?
• RQ2 사용자, 커널 또는 호스트 라이트 레벨에서의 다양한 성능 및 보안 요구사항을 충족하기 위해, 영향력 있는 에이클레이브 운영 모드를 어떻게 안전하게 지원할 수 있는가?
• RQ3 최소한의 TCB를 갖춘 가상화 기반 TEE가 SGX 호환 응용 프로그램을 지원할 경우 성능 오버헤드는 어느 정도인가?
• RQ4 최소한의 형식적 검증이 가능한 신뢰할 수 있는 모니터를 사용해 강력한 격리 효과를 달성하면서 공격 표면을 줄일 수 있는가?
• RQ5 특허된 CPU 확장 기능에 의존하지 않고 원격 인증과 안전한 부팅을 어떻게 달성할 수 있는가?

주요 결과

• HyperEnclave는 공식 SGX SDK와의 API 호환성 덕분에 기존 SGX 프로그램을 거의 또는 전혀 수정하지 않고도 실행할 수 있습니다.
• AMD 서버에서 ECALL 및 OCALL 오버헤드는 각각 9,700 사이클 이하, 5,260 사이클 이하로, 인텔 SGX의 14,432 및 12,432 사이클보다 크게 낮습니다.
• 실제 응용 프로그램인 SQLite에서의 성능 오버헤드는 오직 5%에 불과하여 높은 실용적 효율성을 입증합니다.
• 모든 부팅 구성 요소가 TPM PCRs에 측정되어 롤백 공격을 방지하는 측정된 후기 부팅을 통해 안전한 부팅과 원격 인증을 달성합니다.
• 신뢰할 수 있는 RustMonitor가 페이지 테이블 관리를 전적으로 담당함으로써 운영 체제의 간섭을 제거하고, 페이지 테이블 기반 사이드 채널 공격을 억제함으로써 공격 표면을 최소화합니다.
• 일반 AMD 서버에서의 구현 결과, HyperEnclave는 생산 환경에서의 구현 가능성을 입증하였으며, TCB로 7,500줄의 러스트모니터를 사용하고 세계적인 핀테크 기업에서 성공적으로 도입되었습니다.