[논문 리뷰] Trusted Container Extensions for Container-based Confidential Computing

Ferdinand Brasser, Patrick Jauernig외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 11.

Security and Verification in Computing인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Docker의 유연성과 AMD SEV를 사용한 하드웨어 기반 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEEs)을 결합하여 비신뢰할 수 있는 클라우드 환경에서 컨테이너 워크로드의 강력한 기밀성 및 무결성 보장을 제공하는 신규 컨테이너 보안 아키텍처인 신뢰할 수 있는 컨테이너 확장(TCX)을 소개한다. TCX는 가벼운 보안 컨테이너 가상머신과 Kata Containers와의 원활한 통합을 통해 SPEC2017 벤치마크에서 5.77%의 낮은 성능 오버헤드를 달성한다.

ABSTRACT

Cloud computing has emerged as a corner stone of today's computing landscape. More and more customers who outsource their infrastructure benefit from the manageability, scalability and cost saving that come with cloud computing. Those benefits get amplified by the trend towards microservices. Instead of renting and maintaining full VMs, customers increasingly leverage container technologies, which come with a much more lightweight resource footprint while also removing the need to emulate complete systems and their devices. However, privacy concerns hamper many customers from moving to the cloud and leveraging its benefits. Furthermore, regulatory requirements prevent the adaption of cloud computing in many industries, such as health care or finance. Standard software isolation mechanisms have been proven to be insufficient if the host system is not fully trusted, e.g., when the cloud infrastructure gets compromised by malicious third-party actors. Consequently, confidential computing is gaining increasing relevance in the cloud computing field. We present Trusted Container Extensions (TCX), a novel container security architecture, which combines the manageability and agility of standard containers with the strong protection guarantees of hardware-enforced Trusted Execution Environments (TEEs) to enable confidential computing for container workloads. TCX provides significant performance advantages compared to existing approaches while protecting container workloads and the data processed by them. Our implementation, based on AMD Secure Encrypted Virtualization (SEV), ensures integrity and confidentiality of data and services during deployment, and allows secure interaction between protected containers as well as to external entities. Our evaluation shows that our implementation induces a low performance overhead of 5.77% on the standard SPEC2017 benchmark suite.

연구 동기 및 목표

• 비신뢰할 수 있는 클라우드 제공자 환경에서 전통적인 격리 메커니즘이 실패하는 클라우드 네이티브 컨테이너 워크로드에 대한 강력한 보안 요구 증가에 대응하기 위해.
• 기존 TEE 기반 컨테이너 솔루션의 한계인 높은 성능 오버헤드, 유연하지 못한 메모리 관리 및 악성 클라우드 제공자에 대한 취약성 등을 극복하기 위해.
• Docker 및 Kata Containers와 같은 기존 컨테이너 생태계와 원활하게 통합되는 일반적이고 확장 가능한 아키텍처를 설계하기 위해.
• 보안 배포, 런타임 무결성, 그리고 보안된 컨테이너 간 통신을 포함한 컨테이너 워크로드의 종단 간 보호를 보장하기 위해.
• 하드웨어 기반 TEE가 관리 용이성이나 성능을 희생시키지 않고도 컨테이너 워크로드에 효율적으로 적용될 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• TCX는 AMD SEV와 같은 하드웨어 기반 TEE를 사용하여, 각 호스트당 하나의 신뢰할 수 있는 보안 컨테이너 가상머신(SC-VM)을 사용해 다수의 격리된 컨테이너 워크로드를 관리한다.
• 각 컨테이너는 메모리 암호화 및 격리를 제공하는 전용 경량 SC-VM 내부에서 실행되며, 호스트가 해킹되더라도 데이터 기밀성과 무결성이 보장된다.
• Kata Containers 프로젝트와의 통합을 통해 SC-VM 내부에서 컨테이너 수명 주기 관리 및 시스템 호출 처리를 네이티브 방식으로 지원한다.
• SC-VM 간 및 외부 엔티티 간에 인증되고 암호화된 메시징 프로토콜을 사용하는 보안 통신 채널을 제공한다.
• 보안 스토리지 및 원격 인증을 지원하여 민감한 데이터를暴露하지 않고도 컨테이너 워크로드의 신뢰성을 검증할 수 있다.
• 커널 수정을 피하고 AMD SEV, Intel TDX, Arm CCA를 포함한 여러 TEE를 지원하여 현대 CPU 아키텍처 간 이식성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Docker의 관리 용이성과 하드웨어 기반 TEE의 강력한 격리 보장을 동시에 갖춘 컨테이너 보안 아키텍처를 설계할 수 있는가?
• RQ2 성능 오버헤드가 금지 수준이 되지 않도록 TEE를 컨테이너 워크로드에 효율적으로 적용할 수 있는가?
• RQ3 보안 시스템 호출 처리 및 컨테이너 간 통신을 가능하게 하면서도 공격 표면을 최소화할 수 있는가?
• RQ4 TCX는 내부 위협과 악성 클라우드 제공자에 대해 어느 정도 보호할 수 있는가?
• RQ5 여러 TEE 아키텍처를 지원하는 일반적이고 이식 가능한 컨테이너 보안 프레임워크를 구축하는 것이 가능한가?

주요 결과

• TCX는 표준 SPEC2017 벤치마크 세트에서 성능 오버헤드가 단지 5.77%에 불과하여 기밀 컴퓨팅을 위한 컨테이너 환경에서의 높은 효율성을 입증한다.
• 네트워크 스루풋 오버헤드는 NGINX에서 22.1%, Apache에서 13.36%로 나타나 웹 워크로드에 대해 뛰어난 성능 특성을 보인다.
• 아키텍처는 호스트가 해킹되더라도 컨테이너 워크로드를 정지 상태, 배포 중, 런타임 중 모두 보호하여 기밀성과 무결성을 보장한다.
• 인증된 채널을 사용하여 보호된 컨테이너와 외부 엔티티 간에 보안적이고 투명한 통신을 가능하게 한다.
• AMD SEV, Intel TDX, Arm CCA를 포함한 여러 TEE를 지원하여 현대 하드웨어 플랫폼 간 이식성을 확보한다.
• 커널 수정이 필요 없으며 코드 서명 제한 조건이 없어 SGX 기반 솔루션과 달리 사용성과 보안성을 향상시킨다.