[论文解读] Space Fabric: A Satellite-Enhanced Trusted Execution Architecture

Filip Rezabek, Dahlia Malkhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2026

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一句话总结

Space Fabric 将可信计算栈迁移至轨道，以在特定卫星上提供可验证执行，使用拜占庭容错的地面站背书协议和在轨道上生成密钥，消除发射前的秘密与单厂商信任。

ABSTRACT

The emergence of decentralized satellite networks creates a pressing need for trust architectures that operate without physical access to hardware, without pre-provisioned vendor secrets, and without dependence on a single manufacturer's attestation service. Terrestrial TEEs are insufficient: hardware-based designs are susceptible to physical attacks, and most platforms root their attestation chains in secrets provisioned during manufacturing, creating a pre-launch trust window and single-vendor dependency that cannot be independently audited. We present Space Fabric, an architecture that provides the missing trust foundation for orbital computing by relocating the trusted computing stack to satellite infrastructure, exploiting post-launch physical inaccessibility as a tamper barrier unattainable by terrestrial deployments. Our Satellite Execution Assurance Protocol binds workload execution to a specific satellite via a Byzantine-tolerant endorsement quorum of distributed ground stations, certifying not only \emph{what} executes inside the TEE but also \emph{where}. All cryptographic secrets are generated within co-located secure elements after launch, with no signing keys accessible on Earth at any point. To reduce single-vendor dependence, Space Fabric distributes its trust anchor across two independent secure elements, an NXP SE050 and a TROPIC01, both of which must co-sign attestation evidence. We implement Space Fabric on a USB Armory Mk II with ARM TrustZone, verify attestation end-to-end using Veraison, and provide a security analysis with satisfaction arguments and impossibility bounds under a strong adaptive adversary.

研究动机与目标

• 为去中心化轨道计算中的信任挑战提供动机，硬件不可物理访问且厂商秘密不可信任。
• 提出一个卫星原生的可信计算栈，消除发射前信任窗口和对单一厂商的依赖。
• 通过拜占庭容错背书协议和在轨态签证明绑定工作负载执行到特定卫星。
• 在地球上消除持久签名密钥，在发射后在同位安全元件内生成密码学秘密。

提出的方法

• 将 TPM、TEE 和执行验证迁移到轨道基础设施，通过物理不可及性创建篡改屏障。
• 引入 SEAP（卫星执行保障协议）通过地面站背书法庭将工作负载执行绑定到卫星，具有拜占庭容错仲裁。
• 在轨道上提供完全的密钥起源，秘密在发射后在安全元件内生成，并由两个独立安全元件共同签署。
• 在 USB Armory Mk II 上实现端到端的实现，具 ARM TrustZone、NXP SE050、TROPIC01，并通过 Veraison 进行背书验证。
• 制定威胁模型和安全分析，给出对强自适应对手的满足性论证与不可能性边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在去中心化轨道网络中安全地将可信执行架构绑定到特定卫星？
• RQ2 密钥和背书是否可以完全在轨道上生成，以避免发射前信任窗口？
• RQ3 基于拜占庭容错背书系统的太空背书的安全属性和局限性是什么？
• RQ4 如何让来自不同厂商的两个独立安全元件共同对背书证据进行签名，以降低厂商依赖？

主要发现

• 针对轨道TEEs的威胁模型与架构，考虑了卫星、地面基础设施和通信通道的对手。
• 一个具体的 SEAP 协议，通过地面站背书合议绑定工作负载执行到特定的轨道平台。
• 一个完全在轨道上的密钥生成模型，发射后在安全元件内创建签名密钥且没有地球起源的秘密。
• 在 USB Armory Mk II 上的端到端原型实现，验证了端到端背书并通过 Veraison 演示了对软件与硬件攻击的缓解。
• 一份安全分析，在强自适应对手下给出满足性结论和不可能性边界。