[논문 리뷰] Securing the Storage Data Path with SGX Enclaves

Danny Harnik, Eliad Tsfadia외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 28.

Advanced Data Storage Technologies참고 문헌 13인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 스토리지 시스템에서 데이터-오프라인 암호화를 보호하기 위해 Intel SGX 엔클레이브를 사용할 때의 성능을 평가하며, 특히 최적의 버퍼 크기와 효율적인 암호화 라이브러리와 같은 세심한 설정을 통해 SGX가 네이티브 성능의 90–99%를 달성할 수 있음을 입증한다. 연구 결과는 SGX가 고속도 암호화를 가능하게 하지만, 스레드 수, 메모리 접근 패턴, ECALL 오버헤드와 같은 구현 세부 사항에 매우 민감함을 드러낸다.

ABSTRACT

We explore the use of SGX enclaves as a means to improve the security of handling keys and data in storage systems. We study two main configurations for SGX computations, as they apply to performing data-at-rest encryption in a storage system. The first configuration aims to protect the encryption keys used in the encryption process. The second configuration aims to protect both the encryption keys and the data, thus providing end-to-end security of the entire data path. Our main contribution is an evaluation of the viability of SGX for data-at-rest encryption from a performance perspective and an understanding of the details that go into using enclaves in a performance sensitive environment. Our tests paint a complex picture: On the one hand SGX can indeed achieve high encryption and decryption throughput, comparable to running without SGX. On the other hand, there are many subtleties to achieving such performance and careful design choices and testing are required.

연구 동기 및 목표

• 스토리지 시스템에서 데이터-오프라인 암호화 경로를 보호하기 위해 Intel SGX 엔클레이브를 사용할 수 있는지 평가하기.
• SGX 엔클레이브 내에서 암호화 연산을 수행할 때 발생하는 성능 저하 요인과 설계적 트레이드오���을 규명하기.
• 엔클레이브 기반 암호화가 성능 민감도가 높은 스토리지 워크로드에서 비신뢰적 실행과 유사한 처리량을 달성할 수 있는지 판단하기.
• 버퍼 크기, 다중 스레딩, 메모리 접근 패턴과 같은 시스템 수준의 요소가 엔클레이브 성능에 미치는 영향을 이해하기.

제안 방법

• 암호화 키만 보호하는 엔클레이브 구성과 키와 데이터를 종단 간으로 보호하는 엔클레이브 구성의 두 가지를 구현하였다.
• 다양한 버퍼 크기, 스레드 수, 메모리 접근 패턴(일반 메모리 대비 암호화된 메모리)에서 암호화 처리량을 측정하기 위한 마이크로 벤치마크를 실시하였다.
• 고성능 암호화를 위해 Opaque 암호화 라이브러리를 사용하였으며, 비효율적인 기본 라이브러리를 피하기 위해 SGX에 포트된 버전을 활용하였다.
• 1–8개 스레드에서 안정적이고 최적화된 시스템 측정을 확보하기 위해 워밍업 및 쿨다운 단계를 포함한 테스트를 실시하였다.
• 동일한 워크로드 하에서 비신뢰적(네이티브) 실행 모드와 신뢰적(SGX 엔클레이브) 실행 모드에서 성능을 측정하였다.
• 특히 암호화된 메모리 환경에서의 처리량에 영향을 미치는 ECALL 컨텍스트 스위치, 캐시 미스, EPC 페이지 전환의 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SGX 엔클레이브는 엔클레이브 없이 네이티브 실행 수준과 유사한 고처리량 데이터-오프라인 암호화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 버퍼 크기, 스레드 수, 메모리 접근 패턴은 SGX 엔클레이브 내에서 암호화 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 엔클레이브 기반 암호화에서 주요 성능 저하 요인은 무엇인가? 예를 들어 ECALL 오버헤드 또는 캐시 미스 등.
• RQ4 일반 메모리 대비 암호화된 메모리(EPC)에서 실행할 경우 성능 저하 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 암호화 라이브러리 선택 및 다중 스레딩 전략과 같은 설계 선택 사항이 SGX에서의 최종 처리량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적의 버퍼 크기(예: 512KB–1MB)를 사용할 경우, SGX 엔클레이브는 키 보호 및 종단 간 암호화에서 네이티브 실행 대비 90–99%의 처리량을 달성하였다.
• 버퍼 크기가 1MB를 초과할 경우 캐시 미스로 인해 다중 스레딩 성능이 크게 떨어졌으며, 이는 비신뢰적 실행과 신뢰적 실행 모두에 영향을 주었다.
• 암호화된 메모리(EPC)에서 실행할 경우, 최적의 버퍼 크기를 사용하더라도 4개 스레드 기준으로 비신뢰적 실행 대비 약 10%의 성능 손실이 발생하였다.
• 작은 버퍼는 높은 ECALL 오버헤드를 유발했고, 큰 버퍼는 캐시 스래싱을 유발하여 최적 성능을 내기 위한 좁은 '황금 구역'이 존재함을 확인하였다.
• 암호화된 메모리 환경에서 신뢰적 실행과 비신뢰적 실행 간 성능 격차가 가장 두드러졌으며, 이는 EPC 페이지 전환과 메모리 암호화로 인한 지연 때문이었다.
• 모든 상황에 적합한 유일한 구성은 존재하지 않았다. 성능은 시스템 로드, 스레드 수, 백그라운드 작업에 매우 민감하여 테스트 없이 예측하는 것은 거의 불가능했다.