论文阅读-TWINE An Embedded Trusted Runtime

Schenk
Paper ReadingSGX

更新于：2021年4月12日

字数：1.4k字

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1.Introduction

TWINE（Trusted Wasm in Enclave）

  • 使用标准Intel工具链实现
  • 允许本地执行遗留Wasm应用程序，而无需重新编译
  • 动态地将WASI操作转换为系统调用或安全库函数
  • 将文件操作映射到英特尔的受保护文件系统，持久的数据是透明加密的，并且永远不会以明文的形式从enclave之外访问
  • 实现了完整的安全SQLite嵌入

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Contributions

  • 通用的Enclave内wasm运行时环境，支持文件系统加密
  • 广泛评估性能和瓶颈
  • 改进英特尔受保护文件系统的建议

3.Background

LLVM

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  • 不同的前端后端使用统一的中间代码LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
  • 如果需要支持一种新的编程语言，那么只需要实现一个新的前端
  • 如果需要支持一种新的硬件设备，那么只需要实现一个新的后端
  • 优化阶段是一个通用的阶段，它针对的是统一的LLVM IR，不论是支持新的编程语言，还是支持新的硬件设备，都不需要对优化阶段做修改

WASI

  • 让 WebAssembly 也可以运行在非浏览器环境中
  • 需要实现可移植的二进制文件（.wasm）和一个跨平台的运行时（runtime）
  • 实现细粒度的权限控制：
    • 先定义一套标准的系统调用接口：wasi-core
    • 各个平台（windows、unix）对标准接口进行平台实现
    • 对于一个具体的 wasm 程序，需要把其允许调用的接口在运行的时候传入，比如对于一个 wasm 模块，我只传入“__wasi_path_open”这样一个接口，因此 wasm 中就只能用这样一个接口
    • 同样的，对于文件路径也是，只允许对传入的文件路径进行操作，例如只传入 /tmp 路径，wasm 模块就没有办法对 /usr 路径下的文件进行操作

wasm代表抽象的虚拟机，wasi代表其抽象的OS

WASM运行时

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使用WAMR作为底层运行时：

  • 支持两种解释执行模式，一种慢但内存占用少，另一种快但内存占用多
  • 支持两种二进制执行模式，AoT和JIT，都使用LLVM
  • 使用C语言实现，外部依赖很少

4.Trusted Runtime for WebAssembly

TWINE由两大模块组成：Wasm运行时和WASI接口

  • Wasm运行时完全在TEE中运行，而WASI作为可信环境和不可信环境之间的桥梁与OS通信（相当于OCALL）

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WASI的优势在于提供三种抽象：

  • 开发者可以自由选择开发语言，只要能够被LLVM等编译器编译为WASI
  • TEE从应用程序中抽象出来：只要TEE能够解释或执行Wasm(由WASI支持)，应用程序就可以安全执行
  • WASI与系统无耦合，只要OS提供WASI需要的API就可以使用

安全性

  • WASI可以通过沙箱的方式控制安全性（权限控制）

  • SGX和WASI组成双向沙箱

    • 系统（Enclave认为untrusted）不能损害enclave代码的完整性或是内存中的数据的机密性
    • Wasm应用（OS认为untrusted）不能直接与OS交互，除非WASI给与权限

威胁模型

  • 没有物理攻击，且TEE提供了指定的保护级别，并且标准加密不能被破坏
  • 对于SGX Enclave：enclave内的代码和数据是可信的，而来自外部的任何东西都是不可信的
    • 外部只能读取经过加密的enclave内存
    • 侧信道攻击和拒绝服务攻击可能存在，需要enclave中的应用程序解决
  • 对于OS：遵循honest-but-curious模型

WASI

WASI是Wasm应用程序与外部世界通信的接口

WAMR的工具包提供了一个预先编译器，能够在Wasm应用程序到达TWINE的enclave之前，使用LLVM将其编译为本地代码（native code）。因此，TWINE不包含Wasm解释器，只能执行预先编译的应用程序（执行本地代码比代码编译更快）

Wasm运行时比代码解释器占用的内存更小

WASI实现细节

  1. 大部分WASI调用被直接转换为OCALL

  2. TWINE为WAMR实现了一个不同的WASI接口，更适合SGX使用：

  • 保留其沙箱实现
  • 将剩下部分分为两层：一层用于特定功能实现，一层用于一般调用
    • 一般调用通过在enclave外调用类POSIX库来处理，同时提供额外的安全措施和健全性检查；一般调用只有某个功能没有可信实现时才会使用
  1. TWINE包含一个编译标志，可以全局禁用enclave中的不受信任的POSIX实现（接口可能泄漏主机调用中的敏感数据，例如使用模式和参数）

IPFS（Intel Protected File System）

IPFS分为两部分：
1.可信库，在enclave中运行，为文件管理提供了类似POSIX的API
2.不可信库，与enclave之外的POSIX函数交互，这些函数进行实际文件读写

  • 写操作：先由可信库对内容加密，再由不可信库写到存储介质（加密后的文件以Merkle树的结构存在）
    读操作：由可信库进行完整性校验

IPFS实现细节

IPFS自动创建用于加密文件的密钥，这些密钥由enclave签名和处理器的密钥导出

TWINE持久化的文件在enclave之外被视为密文，而在Wasm应用程序处理之前会透明地解密并进行完整性检查

发布于：2021年4月12日

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