[论文解读] Enabling Strong Database Integrity using Trusted Execution Environments

Kai Mast, Lequn Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2018

Distributed systems and fault tolerance参考文献 47被引用 5

一句话总结

CreDB 是一种可信数据库系统，利用 Intel SGX 等可信执行环境（TEE）提供类似区块链的数据完整性，而无需复制或工作量证明。它支持防篡改的事务见证、策略强制的数据对象、时间线检查以及受保护的函数计算，实现每秒数百笔事务的高性能表现，可作为 MongoDB 等 NoSQL 数据库的即插即用替代方案。

ABSTRACT

Many applications require the immutable and consistent sharing of data across organizational boundaries. Because conventional datastores cannot provide this functionality, blockchains have been proposed as one possible solution. Yet public blockchains are energy inefficient, hard to scale and suffer from limited throughput and high latencies, while permissioned blockchains depend on specially designated nodes, potentially leak meta-information, and also suffer from scale and performance bottlenecks. This paper presents CreDB, a datastore that provides blockchain-like guarantees of integrity using trusted execution environments. CreDB employs four novel mechanisms to support a new class of applications. First, it creates a permanent record of every transaction, known as a witness, that clients can then use not only to audit the database but to prove to third parties that desired actions took place. Second, it associates with every object an inseparable and inviolable policy, which not only performs access control but enables the datastore to implement state machines whose behavior is amenable to analysis. Third, timeline inspection allows authorized parties to inspect and reason about the history of changes made to the data. Finally, CreDB provides a protected function evaluation mechanism that allows integrity-protected computation over private data. The paper describes these mechanisms, and the applications they collectively enable, in detail. We have fully implemented a prototype of CreDB on Intel SGX. Evaluation shows that CreDB can serve as a drop-in replacement for other NoSQL stores, such as MongoDB while providing stronger integrity guarantees.

研究动机与目标

• 为解决公共链和许可链的局限性，如高能耗、可扩展性差和性能瓶颈，通过无需复制的方式实现强数据完整性。
• 为需要在互不信任的各方之间实现不可篡改、可验证和保密数据存储的应用，提供一种安全、可扩展且高效的区块链替代方案。
• 通过 TEE 支持的机制（如防篡改见证、策略强制和受保护的函数计算）实现可验证的数据完整性与隐私保护。
• 支持第三方对数据操作和系统行为的可验证性，包括智能合约和可审计性，且无需依赖数据库运营商的信任。

提出的方法

• CreDB 使用基于 Intel SGX 的 TEE 隔离数据库节点，确保仅授权代码可访问或修改数据，从而强制实现强完整性。
• 它为每笔事务生成密码学安全、可验证的见证，作为数据状态和事务顺序的防篡改证明。
• 每个数据对象均关联一个不可分割的符号化策略，使用图灵完备语言表达，并由 TEE 强制执行，以管理访问和行为。
• 时间线检查允许授权方审计和推理历史数据变更，支持可验证的审计与合规性。
• 受保护的函数计算支持在私有数据上进行远程、完整性受保护的计算，结果与输入密码学绑定，并可通过见证进行验证。
• 系统支持独立的“单体区块链”操作模式，以及跨多个 TEE 支持节点的联邦部署，实现水平扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 TEE 的数据存储系统能否在不依赖复制或共识机制的前提下，提供类似区块链的数据完整性保障，同时避免传统区块链的性能与可扩展性限制？
• RQ2 在客户端无法完全信任数据库运营商的系统中，如何实现可验证、可审计且防篡改的数据操作？
• RQ3 在存在不可信节点的分布式环境中，哪些机制能够实现安全、策略强制且可分析的数据操作？
• RQ4 能否通过 TEE 高效且安全地实现对私有数据的受保护函数计算，并确保结果可验证？
• RQ5 在真实工作负载下，基于 TEE 的数据存储系统的性能与现有许可链和非许可链相比如何？

主要发现

• CreDB 实现了高性能，单节点可处理每秒数百笔复杂事务，优于当前最先进的许可链与非许可链系统。
• 系统通过 TEE 实现完整性保障，无需复制或共识开销，可作为‘单体区块链’运行。
• 见证具有密码学安全性，可独立验证，第三方可利用其证明数据状态、事务或策略合规性。
• 语义安全策略由 TEE 强制执行，且可符号化分析，支持第三方验证预期行为。
• 受保护的函数计算支持在私有数据上进行远程计算，结果可验证，同时保护数据机密性并确保正确性。
• 基于 Intel SGX 的原型实现表明，CreDB 可作为 MongoDB 等 NoSQL 数据库的即插即用替代品，同时提供更强的数据完整性保障。