[논문 리뷰] SPX: Preserving End-to-End Security for Edge Computing

Ketan Bhardwaj, Ming-Wei Shih외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Security and Verification in Computing참고 문헌 30인용 수 7

한 줄 요약

SPX는 TLS 및 Noise와 같은 프로토콜을 Intel SGX 기반 원격 인증으로 확장하여 엣지에서 암호화된 트래픽을 처리할 수 있도록 엣지 컴퓨팅을 종단 간으로 안전하게 보장하는 프레임워크이다. 이는 보안 및 성능 보장을 해치지 않으면서도 E³ 보안을 달성하며, 클라이언트에 대해 투명하고 저비용이다.

ABSTRACT

Beyond point solutions, the vision of edge computing is to enable web services to deploy their edge functions in a multi-tenant infrastructure present at the edge of mobile networks. However, edge functions can be rendered useless because of one critical issue: Web services are delivered over end-to-end encrypted connections, so edge functions cannot operate on encrypted traffic without compromising security or degrading performance. Any solution to this problem must interoperate with existing protocols like TLS, as well as with new emerging security protocols for client and IoT devices. The edge functions must remain invisible to client-side endpoints but may require explicit control from their service-side web services. Finally, a solution must operate within overhead margins which do not obviate the benefits of the edge. To address this problem, this paper presents SPX - a solution for edge-ready and end-to-end secure protocol extensions, which can efficiently maintain end-to-edge-to-end ($E^3$) security semantics. Using our SPX prototype, we allow edge functions to operate on encrypted traffic, while ensuring that security semantics of secure protocols still hold. SPX uses Intel SGX to bind the communication channel with remote attestation and to provide a solution that not only defends against potential attacks but also results in low performance overheads, and neither mandates any changes on the end-user side nor breaks interoperability with existing protocols.

연구 동기 및 목표

• 종단 간 보안이나 성능 보장을 해치지 않고 엣지 기능이 암호화된 트래픽을 처리할 수 있도록 하는 데 핵심 과제를 해결한다.
• 기존 및 신규 보안 프로토콜(예: TLS, Noise)과 IoT 및 모바일 클라이언트를 포함한 다양한 클라이언트 장치와의 호환성을 확보한다.
• 최종 사용자 장치나 프로토콜에 대한 변경 사항이 없이도 투명하고 간섭 없는 운영을 제공한다.
• TOCTTOU 및 쿡후 공격과 같은 원격 인증에 알려진 공격을 방지하기 위해 안전한 실행 환경을 통신 채널에 바인딩한다.
• 최소한의 성능 오버헤드로 다중 테넌트 및 분산 엣지 인fra에서 실용적으로 구현 가능한 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• TLS 및 Noise와 같은 기존 보안 프로토콜을 SPX 프로토콜 확장으로 확장하여 엣지에서 암호화된 트래픽에 대한 안전하고 인증된 액세스를 가능하게 한다.
• Intel SGX를 사용하여 엣지 기능을 격리하고, 엣지 실행 환경의 신뢰성을 검증하기 위해 원격 인증을 강제한다.
• 채널 바인딩 메커니즘을 통해 원격 인증 보고서를 TLS 세션에 직접 바인딩하여 TOCTTOU 및 쿡후 공격을 방지한다.
• 웹 서비스 측에 SPX를 통합하여 암호화된 트래픽에 대한 액세스를 제어하고, 오직 인증된, 원격으로 검증된 엣지 기능만이 데이터를 복호화하고 처리할 수 있도록 보장한다.
• SGX의 메모리 암호화 및 안전한 에인클레이브를 활용하여 사용 중인 데이터를 보호하면서도 최적화된 암호 연산을 통해 성능 영향을 최소화한다.
• 클라이언트에 대해 투명한 설계를 하여 최종 사용자 장치나 장치의 프로토콜에 대한 변경 사항이 전혀 필요 없도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엣지 기능이 종단 간 암호화된 트래픽을 처리하면서도 종단 간 보안 보장을 해치지 않고 안전하게 작동할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 기존 프로토콜(예: TLS)과 신규 프로토콜(예: Noise)과 호환되면서도 최종 사용자 장치에 대해 투명한 솔루션을 구축할 수 있는가?
• RQ3 원격 인증을 통신 채널에 안전하게 바인딩하여 엣지 환경에서 TOCTTOU 및 쿡후 공격을 방지할 수 있는가?
• RQ4 안전하고 엣지 환경에 적합한 프로토콜 확장 기능은 어떤 성능 오버헤드를 유발하며, 엣지 컴퓨팅의 저지연 특성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 클라이언트 장치나 프로토콜에 대한 변경 없이도 다중 테넌트 및 분산 엣지 인fra에서 이러한 시스템을 구현할 수 있는가?

주요 결과

• SPX는 종단 간 보안 의미론을 유지하면서도 엣지 기능이 암호화된 트래픽을 처리할 수 있도록 성공적으로 지원하여, 네이티브 종단 간 암호화와 동일한 E³ 보안을 달성한다.
• 프로토타입은 낮은 성능 오버헤드를 보이며, 주로 메모리 페이지 암호화와 벡터화된 암호 연산 부족이 주요 원인이나, 검색 가능한 암호화를 사용하는 BlindBox와 비교해도 훨씬 낮은 수준이다.
• SPX는 원격 인증 보고서를 TLS 세션에 직접 바인딩하여 TOCTTOU 및 쿡후 공격을 방지하며, 오직 신뢰할 수 있고 인증된 엣지 기능만이 복호화된 데이터에 액세스할 수 있도록 보장한다.
• 기존 프로토콜과 호환되며 클라이언트 장치에 대한 변경 없이도 작동하므로, IoT 및 모바일 클라이언트를 포함한 이질적인 엣지 환경에 적합하다.
• 기존 솔루션들이 보안을 해치거나 과도한 성능 비용을 유발하는 것과 달리, SPX는 최소한의 신뢰 가정으로 암호화된 트래픽에 대한 완전한 액세스를 가능하게 한다.
• mbTLS 및 SafeBricks와 같은 이전 연구와 비교해 SPX는 클라이언트 측 IPsec나 TLS 수정이 필요로 하지 않으며, 클라이언트별 터널이 필요 없어지므로 엣지 환경에서의 확장성과 구현 가능성이 향상된다.