[论文解读] Time Protection: the Missing OS Abstraction

Qian Ge, Yuval Yarom+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 50被引用 8

一句话总结

本文提出时间保护作为缺失的操作系统抽象，以防止微体系结构时序通道攻击，通过页面着色实现缓存分区以及对共享硬件状态的针对性清除，并结合无策略内核克隆机制。该方法在x86和Arm平台上均以极低性能开销有效关闭了时序通道，在seL4中实现了透明性和强隔离保证。

ABSTRACT

Timing channels enable data leakage that threatens the security of computer systems, from cloud platforms to smartphones and browsers executing untrusted third-party code. Preventing unauthorised information flow is a core duty of the operating system, however, present OSes are unable to prevent timing channels. We argue that OSes must provide time protection in addition to the established memory protection. We examine the requirements of time protection, present a design and its implementation in the seL4 microkernel, and evaluate its efficacy as well as performance overhead on Arm and x86 processors.

研究动机与目标

• 解决操作系统中存在的重要安全漏洞，即时序通道（尤其是微体系结构时序通道）导致的未经授权信息泄露。
• 将时间保护确立为与内存保护同等地位的一流操作系统抽象，确保安全域之间的时序隔离。
• 设计并实现一种可验证、轻量级且无策略依赖的时间保护机制，应用于可信内核seL4。
• 评估时间保护在消除时序通道方面的有效性，并量化其在现代x86和Arm处理器上的性能开销。

提出的方法

• 引入无策略内核克隆操作，在每个核心上创建每个分区的内核镜像，最大限度减少安全域之间的共享状态。
• 采用页面着色对L1和L2缓存进行分区，并清除无法分区的微体系结构状态（如L3缓存（LLC）和TLB条目）。
• 使用时间填充增加上下文切换延迟，防止因域间时序差异导致的时序侧信道泄露。
• 利用现有硬件对缓存着色和清除操作的支持，并通过扩展提高精度并降低开销。
• 将该机制应用于seL4微内核，确保隔离属性的形式化验证以及最小化的可信代码面。
• 在存在共驻恶意线程的受控攻击场景下，使用真实世界工作负载（Splash-2）对设计进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种强制性的、黑盒的操作系统机制是否能有效关闭微体系结构时序通道，而无需依赖应用程序级别的协作？
• RQ2 如何在保证强隔离保证的前提下，以最小性能开销实现时序隔离？
• RQ3 在多大程度上可以利用现有硬件特性（如缓存着色和清除操作）来实现时间保护？
• RQ4 时间保护对通用工作负载（尤其是在对抗性缓存竞争条件下）的性能影响如何？
• RQ5 时间保护能否在无策略、轻量级内核（如seL4）中实现，同时保持可验证性和安全性？

主要发现

• 时间保护通过分区共享硬件资源并在各域之间隔离内核状态，有效消除了所有研究的微体系结构时序通道。
• 在x86平台上，使用50%或75%共享比例的缓存分区对大多数Splash-2基准测试造成的开销低于5.5%，且在radiosity和ocean测试中因冲突缺失减少而获得性能提升。
• 在Arm平台上，时间填充带来的性能开销仅为0.2%–0.4%，且由于免受攻击线程干扰，raytrace测试表现出一致的性能改进。
• 在x86和Arm平台上，内核克隆机制引入的开销接近于零，实现了内核和中断的近乎完美分区。
• 即使在当前硬件限制下，该方法依然有效；未来硬件扩展（如更精准的清除操作）可实现完美的时间保护。
• 评估结果证实，时间保护对应用程序透明，且无需修改不可信代码即可提供强隔离。