[论文解读] Aurora: Providing Trusted System Services for Enclaves On an Untrusted System

Hongliang Liang, Mingyu Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 50被引用 9

一句话总结

Aurora 是一种新颖的架构，通过利用系统管理内存（SMRAM）和系统管理中断（SMI），为 Intel SGX 机密区域提供可信系统服务（TSS），从而安全地将关键 I/O 操作从不受信任的操作系统中卸载。它仅带来约 1ms 的开销，即可实现高精度、具备攻击感知能力的时间服务和端到端的安全网络通信，使其实用化于 SQLite 和 OpenSSL 等真实世界应用成为可能。

ABSTRACT

Intel SGX provisions shielded executions for security-sensitive computation, but lacks support for trusted system services (TSS), such as clock, network and filesystem. This makes extit{enclaves} vulnerable to Iago attacks~\cite{DBLP:conf/asplos/CheckowayS13} in the face of a powerful malicious system. To mitigate this problem, we present Aurora, a novel architecture that provides TSSes via a secure channel between enclaves and devices on top of an untrusted system, and implement two types of TSSes, i.e. clock and end-to-end network. We evaluate our solution by porting SQLite and OpenSSL into Aurora, experimental results show that SQLite benefits from a extit{microsecond} accuracy trusted clock and OpenSSL gains end-to-end secure network with about 1ms overhead.

研究动机与目标

• 解决 Intel SGX 中缺乏可信系统服务（TSS）如时钟和网络的问题，这使得机密区域易受 Iago 攻击影响。
• 缓解依赖不受信任的操作系统服务进行时间与网络 I/O 所引发的漏洞，这些服务易受欺骗、篡改和流量分析攻击。
• 设计一种安全、可扩展且透明的框架，可无缝集成到通用硬件和操作系统中，无需任何修改。
• 为机密区域提供可信的高精度时间服务和端到端安全网络通信，以增强 SQLite 和 OpenSSL 等真实世界应用的安全性。

提出的方法

• 利用 SMRAM 作为硬件保护的特权机密区域，托管一个安全的 SMI 处理程序，可直接访问 I/O 设备而无需操作系统的参与。
• 采用基于 SMI 的事件驱动 I/O 机制，通过无退出中断和批量处理技术，与传统的单体内核 I/O 相比显著降低性能开销。
• 通过身份认证、硬件加密和常量时间协议，确保机密区域与 SMI 处理程序之间通信的机密性与完整性。
• 引入一种安全的会话建立机制，通过远程证明和密码学认证，在机密区域与 SMI 处理程序之间建立信任连接。
• 支持符合 POSIX 的系统调用接口以访问 TSS，实现与现有机密区域应用的无缝集成。
• 设计并实现两种 TSS：一种是高精度、具备攻击感知能力的时钟服务，另一种是使用通用网络适配器实现的端到端安全网络服务。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不受信任的系统上为 SGX 机密区域安全地提供时钟和网络等可信系统服务（TSS）？
• RQ2 能否在不依赖不受信任的操作系统或内核的情况下，为机密区域与硬件设备之间建立安全的 I/O 通道？
• RQ3 如何为机密区域提供高精度的绝对时间，同时检测时间欺骗和单调性攻击？
• RQ4 能否在极低性能开销下实现端到端的安全网络 I/O，同时保证强大的机密性与完整性？
• RQ5 是否能够构建一个对现有操作系统和硬件透明、可扩展至新设备、且能抵御 DMA 和中断欺骗等高级攻击的 TSS 框架？

主要发现

• Aurora 成功实现了高精度、具备攻击感知能力的可信时钟服务，可检测时间欺骗攻击，并提供微秒级的时间精度。
• 端到端安全网络 TSS 每次 I/O 操作仅带来约 1ms 的开销，同时保证了强大的机密性与完整性，使安全通信不再依赖不受信任的网络协议栈。
• 对 SQLite 的评估表明，使用可信时钟可显著提升性能，尤其在时间敏感操作中表现明显。
• OpenSSL 集成结果表明，Aurora 实现了端到端安全网络 I/O，且性能损耗极小，适用于真实世界的密码学工作负载。
• 原型具备良好的可扩展性，支持硬件定时器和通用网络适配器，且无需对商用操作系统或硬件进行任何修改。
• 安全分析表明，Aurora 可有效防止常见的 Iago 类攻击，如系统调用窥探、I/O 流量分析和时间篡改，同时保持透明性和高效性。