[논문 리뷰] SvTPM: A Secure and Efficient vTPM in the Cloud

Juan Wang, Chengyang Fan외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 21.

Security and Verification in Computing참고 문헌 33인용 수 8

한 줄 요약

SvTPM는 물리적 TPM에 의존하지 않고 Intel SGX를 통해 보안이 강화된 소프트웨어 기반 vTPM를 제안하여 강력한 런타임 격리와 높은 성능을 달성한다. NVRAM 교체, 롤백 공격, 신뢰 설정, 신뢰할 수 있는 시계 문제를 해결하며, 하드웨어 기반 vTPM 대비 2600배 빠른 기동 시간과 밀리초 이내의 명령 지연을 달성한다.

ABSTRACT

Virtual Trusted Platform Modules (vTPMs) have been widely used in commercial cloud platforms (e.g. Google Cloud, VMware Cloud, and Microsoft Azure) to provide virtual root-of-trust for virtual machines. Unfortunately, current state-of-the-art vTPM implementations are suffering from confidential data leakage and high performance overhead. In this paper, we present SvTPM, a secure and efficient software-based vTPM implementation based on hardware-rooted Trusted Execution Environment (TEE), providing a whole life cycle protection of vTPMs in the cloud. SvTPM offers strong isolation protection, so that cloud tenants or even cloud administrators cannot get vTPM's private keys or any other sensitive data. In SvTPM, we identify and solve a couple of critical security challenges for vTPM protection with SGX, such as NVRAM replacement attack, rollback attacks, trust establishment, and a fine-grained trusted clock. We implement a prototype of SvTPM on both QEMU and KVM. Performance evaluation results show that SvTPM achieves orders of magnitude of performance gains comparing to the vTPMs protected with physical TPM. The launch time of SvTPM is 2600$ imes$ faster than vTPMs built upon hardware TPM. In the micro-benchmarks evaluation, we find that the command execution latency of SvTPM is smaller than or equal to the existing schemes.

연구 동기 및 목표

• 기존 vTPM 솔루션들이 물리적 TPM에 의존하거나 약한 격리 메커니즘에 의존함으로써 런타임 보안 보호의 부재 문제를 해결한다.
• 가상화된 클라우드 환경에서 물리적 TPM의 낮은 I/O 스루풋과 제한된 자원으로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• 하드웨어 루트의 신뢰 실행 환경(SGX)을 활용해 vTPM 컴포onents를 클라우드 테넌트와 관리자로부터 강력하게 격리한다.
• SGX 에인클레이브 내 소프트웨어 기반 vTPM에 고유한 보안 도전 과제를 해결한다. 이는 NVRAM 교체, 롤백 공격, 신뢰 설정을 포함한다.
• TPM의 무결성 및 권한 정 politics를 지원하기 위해 세밀한 신뢰할 수 있는 시계 메커니즘을 설계한다.

제안 방법

• 소프트웨어 기반 vTPM을 Intel SGX 에인클레이브 내에 구현하여 하드웨어 루트의 격리 기능을 제공함으로써, 개인 키 및 민감한 데이터가 하이퍼바이저와 클라우드 관리자로부터 보호되도록 한다.
• SGX 에인클레이브에 암호적으로 바인딩된 안전한 NVRAM 파일 추상화를 구현하여, 악성 하이퍼바이저나 클라우드 관리자가 불법적으로 교체하는 것을 방지한다.
• vTPM의 신원을 SGX 플랫폼에 암호적으로 바인딩하는 새로운 신뢰 설정 프로토콜을 도입하여, TPM 칩의 물리적 EK가 필요 없도록 한다.
• 단조증가 카운터와 밀봉된 상태를 기반으로 한 롤백 방지 메커니즘을 설계하여, vTPM 상태에 대한 재생 및 다운그레이드 공격을 방지한다.
• SGX의 타임스탬프 카운터와 안전한 시간 동기화를 활용해 세밀한 신뢰할 수 있는 시계를 구현하여, TPM의 잠금 및 권한 정 politics를 지원한다.
• KVM 및 QEMU 가상화 플랫폼과 통합하여, 전체 TPM 2.0 사양과 다수의 암호 알고리즘을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드웨어 루트의 신뢰 실행 환경(예: SGX)을 유일한 수단으로 사용하여 소프트웨어 기반 vTPM을 클라우드 환경과 가상 머신 모니터로부터 어떻게 안전하게 격리할 수 있는가?
• RQ2 vTPM의 지속적 스토리지가 신뢰할 수 없는 게스트 메모리에 저장될 경우, NVRAM 교체 공격을 방지하기 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 물리적 TPM의 승인 키(EK)에 의존하지 않고, 소프트웨어로 생성된 vTPM 신원에 대해 어떻게 신뢰를 설정할 수 있는가?
• RQ4 vTPM 상태와 암호화 값에 대한 롤백 공격을 방지하기 위한 안전한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 TPM의 무결성 및 권한 정 politics를 지원하기 위해 소프트웨어 기반 vTPM에 세밀한 신뢰할 수 있는 시계를 어떻게 구현할 수 있는가?

주요 결과

• SvTPM는 물리적 TPM으로 보호되는 vTPM 대비 2600배 빠른 기동 시간을 달성하여 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.
• SvTPM의 명령 실행 지연 시간은 기존 기법들과 비교해 같거나 더 낮아 암호 연산에 대한 부하가 작음을 시사한다.
• 프로토타입은 KVM 및 QEMU 가상화 플랫폼 모두를 지원하여 주류 클라우드 가상화 스택과의 호환성을 확인한다.
• 암호적 밀봉 및 신뢰성 검증을 통해 NVRAM 파일을 SGX 에인클레이브에 암호적으로 바인딩함으로써 NVRAM 교체 공격을 성공적으로 방지한다.
• 단조증가 카운터와 상태 밀봉을 통해 롤백 공격을 방지하여, vTPM 상태가 이전에 손상된 버전으로 되돌아가지 않도록 보장한다.
• SGX 에인클레이브의 원격 신뢰성 검증을 통해 vTPM 신원에 대한 신뢰를 설정함으로써, 물리적 TPM 하드웨어에 대한 의존도를 제거한다.