[论文解读] Keystone: A Framework for Architecting TEEs.

Dayeol Lee, David Kohlbrenner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Security and Verification in Computing参考文献 47被引用 27

一句话总结

Keystone 是一个开源框架，通过利用内存隔离等硬件抽象以及位于不可信组件之下的可编程层，支持构建可定制的可信执行环境（TEE）。它缩小了可信计算基（TCB）的规模，支持在未经修改的 RISC-V 硬件上运行多种工作负载，并实现了跨不同部署模式的安全、可移植 TEE 开发。

ABSTRACT

Trusted execution environments (TEEs) are being used in all the devices from embedded sensors to cloud servers and encompass a range of cost, power constraints, and security threat model choices. On the other hand, each of the current vendor-specific TEEs makes a fixed set of trade-offs with little room for customization. We present Keystone -- the first open-source framework for building customized TEEs. Keystone uses simple abstractions provided by the hardware such as memory isolation and a programmable layer underneath untrusted components (e.g., OS). We build reusable TEE core primitives from these abstractions while allowing platform-specific modifications and application features. We showcase how Keystone-based TEEs run on unmodified RISC-V hardware and demonstrate the strengths of our design in terms of security, TCB size, execution of a range of benchmarks, applications, kernels, and deployment models.

研究动机与目标

• 解决现有厂商专用 TEE 中缺乏定制化的问题，这些 TEE 强制执行固定的安全部分、性能与成本权衡。
• 在不损害安全性或可移植性的情况下，支持 TEE 中的平台特定优化和应用级功能。
• 通过将低层次硬件原语抽象为可重用、可组合的组件，减少可信计算基（TCB）的大小。
• 支持在从嵌入式设备到云服务器的各类系统中部署，使用未经修改的 RISC-V 硬件。

提出的方法

• 利用内存隔离和安全内存区域等低层次硬件抽象，为 TEE 构建奠定基础。
• 在不可信组件（如操作系统）之下引入一个可编程层，以实现对 TEE 行为的细粒度控制和定制。
• 从硬件抽象中设计可重用的 TEE 核心原语（如安全内存管理、隔离强制），以确保可移植性和模块化。
• 在保留安全保证的前提下，通过形式化抽象和访问控制支持平台特定的扩展和优化。
• 在未经修改的 RISC-V 硬件上实现并评估 Keystone，以验证其在各种工作负载下的可移植性和性能。
• 支持对内核、基准测试和应用程序进行最小修改的执行，展示其在不同部署模型中的灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个 TEE 框架，使其在保持强安全保证的同时，支持在多样化硬件平台和威胁模型下实现定制化？
• RQ2 在 TEE 中使用可组合的、硬件抽象的原语，能在多大程度上实现极小的可信计算基（TCB）？
• RQ3 一个单一框架能否在未经修改的 RISC-V 系统上实现安全、可移植的 TEE 开发，覆盖从嵌入式设备到云环境的各类场景？
• RQ4 在安全性与效率方面，该框架在包括内核、基准测试和真实应用程序在内的各类工作负载中表现如何？

主要发现

• Keystone 相较于单体式厂商 TEE，显著减少了可信计算基（TCB）的规模，支持构建定制化 TEE。
• 该框架成功运行在未经修改的 RISC-V 硬件上，证明了其在各类部署模型中的可移植性和兼容性。
• Keystone 支持广泛的工作负载执行，包括内核、基准测试和应用程序，且仅需极少修改。
• 使用可组合的、硬件抽象的原语，可在保留安全性和隔离保证的同时实现平台特定的优化。
• 通过其下层的可编程层，该框架的设计支持与不可信组件（如操作系统）的安全集成。
• Keystone 的开源特性促进了可扩展性与社区驱动的安全加固，提升了长期可维护性与可信度。