可信执行环境：现状与展望

当前在云服务、移动社交网络下用户普遍追求隐私保护、安全计算,从而推动了隐私计算、机密计算等领域的快速发展.可信执行环境（trusted execution environment,TEE）作为机密计算服务中重要的技术基础已经广泛部署到各类计算平台中.目前,以Intel,Arm等为代表的设备制造商采用软硬件隔离机制,推出了多类实用TEE技术并不断迭代更新,从功能上更加方便设备管理者、普通用户使用安全服务.研究人员则根据不同的系统架构和应用需求,优化TEE模型,扩大可信应用领域并提升其工作效率.全面分析主流系统架构（包括x86、Arm、RISC-V、异构计算单元）中TEE技术发展路线、技术特点包括基础硬件设施设计、软件接口定义、安全边界等,挖掘TEE技术可行的应用场景.同时,分析各类TEE技术面临的挑战,探讨TEE技术局限性以及自身面临的安全风险如侧信道攻击等.在此基础上,从安全性、功能性等方面总结各类TEE技术优缺点,并提出TEE技术未来的发展思路.     

基于可信验证的DBMS访问控制模型

针对目前访问控制模型在系统的安全实现方面存在的不足,在RABC的基础上,提出了可信操作环境下基于可信验证的DBMS访问控制模型,该模型满足系统的保密性和完整性需求,最大程度实现信息双向流动,同时支持最小特权安全特性,是一个权限分配灵活的访问控制模型。     

可信执行环境的RISC-V架构处理器安全分区方法

RISC-V架构处理器分区过程中,因未处于可信执行环境中,使得部分分区内容出现了新行内容随意替换旧行内容的问题,导致分区结果重叠部分较多。为此,提出基于可信执行环境的RISC-V架构处理器安全分区方法。根据请求指令中的虚拟机ID编号将虚拟机与虚拟根实例进行绑定,为RISC-V架构处理器中的划分提供安全环境。将安全内存加密引擎集成到内部的Cache与存储控制器间,生成单次分块区。利用多用户端密钥对称算法获取访问密文,采用蒙特卡罗法计算当前分区解向量对应的偏移时间。根据该偏移时间序列,采用Cache方法进行分区可信通道物理页着色处理,可避免出现新行随意替换旧行的问题,获取安全的分区结果。由实验结果可知,使用本研究方法分区命中率最小值可达到0.82,能够达到理想的分区效果。     

国产自主平台下可信执行环境的设计与实现

针对目前国产自主平台对应用程序执行缺乏有效安全管控的问题,根据可信计算基本原理,提出了一种国产自主平台下构建可信执行环境的方法。设计并实现了国产自主平台下的可信执行环境,在应用程序启动之前,完成对应用程序启动的可信验证,主动保护应用程序执行的安全性。实验表明该方法切实可行,具备执行效率高的优点,为国产自主平台下应用程序的安全执行提供了一种有效的安全管控措施。     

基于可信网络连接的数据采集系统访问控制模型

引入可信网络连接的概念,设计了一种基于可信度和角色的集成的访问控制模型。并结合实例,对该访问控制模型在数据采集系统中的应用进行了介绍,以解决基于通用PC控制以及Internet接入的数据采集系统所面临的潜在安全性问题。     

基于Windows系统的可信执行环境的研究与设计

根据可信计算的基本原理,在Windows系统环境下设计并实现了一个可信执行环境的原型系统.与传统的信息安全技术采用被动防御的策略不同,可信执行环境根据可信计算中的信任链传递的思想,采取主动防御的安全策略,通过拦截应用程序的启动执行.在应用程序运行之前,对应用程序的核心文件进行完整性度量和验证,可以有效地保护应用程序的核心文件免遭破坏,从而进一步增强计算机系统的安全性.     

基于抽象和搜索空间划分的安全性判定方法

为满足访问控制策略安全性快速判定的要求,提出一种基于谓词抽象和验证空间划分的访问控制策略状态空间约减方法,将在访问控制策略原始状态机模型上的安全性分析工作转移到包含较少状态的抽象模型上,并进一步划分抽象模型的验证空间,以提高效率.理论分析和实验数据均表明,其安全性分析所需的时间和空间都得到有效约减.与传统方法相比,它具有速度更快、自动化程度更高等优点.     

基于抽象和搜索空间划分的安全性判定方法

为满足访问控制策略安全性快速判定的要求,提出一种基于谓词抽象和验证空间划分的访问控制策略状态空间约减方法,将在访问控制策略原始状态机模型上的安全性分析工作转移到包含较少状态的抽象模型上,并进一步划分抽象模型的验证空间,以提高效率。理论分析和实验数据均表明,其安全性分析所需的时间和空间都得到有效约减。与传统方法相比,它具有速度更快、自动化程度更高等优点。     

面向SGX2代新型可信执行环境的内存优化系统

可信执行环境(trusted execution environment, TEE)是一种应用于隐私计算保护场景的体系结构方案,能为涉及隐私相关的数据和代码提供机密性和完整性的保护,近年来成为机器学习隐私保护、加密数据库、区块链安全等场景的研究热点.主要讨论在新型可信硬件保护下的系统的性能问题:首先对新型可信硬件(IntelSGX2代)进行性能剖析,发现在配置大安全内存的前提下, Intel SGX1代旧有的换页开销不再成为主要矛盾.配置大容量安全内存引起了两个新的问题:首先,普通内存的可用范围被压缩,导致普通应用,尤其是大数据应用的换页开销加剧;其次,安全内存通常处于未被用满阶段,导致整体物理内存的利用率不高.针对以上问题,提出一种全新的轻量级代码迁移方案,将普通应用的代码动态迁入安全内存中,而数据保留在原地不动.迁移后的代码可使用安全内存,避免因磁盘换页导致的剧烈性能下降.实验结果表明:该方法可将普通应用因为磁盘换页导致的性能开销降低73.2%-98.7%,同时不影响安全应用的安全隔离和正常使用.     

基于可信执行环境的物联网边缘流处理安全技术综述

万物互联时代,物联网中感知设备持续产生大量的敏感数据。实时且安全的数据流处理是面向物联网关键应用中需要解决的一个挑战。在近年兴起的边缘计算模式下,借助靠近终端的设备执行计算密集型任务与存储大量的终端设备数据,物联网中数据流处理的安全性和实时性可以得到有效的提升。然而,在基于边缘的物联网流处理架构下,数据被暴露在边缘设备易受攻击的软件堆栈中,从而给边缘带来了新的安全威胁。为此,文章对基于可信执行环境的物联网边缘流处理安全技术进行研究。从边缘出发,介绍边缘安全流处理相关背景并探讨边缘安全流处理的具体解决方案,接着分析主流方案的实验结果,最后展望未来研究方向。     

The Trade-Off Between Performance and Security of Virtualized Trusted Execution Environment on Android

Nowadays, with the significant growth of the mobile market, security issues on the Android Operation System have also become an urgent matter. Trusted execution environment (TEE) technologies are considered an option for satisfying the inviolable property by taking advantage of hardware security. However, for Android, TEE technologies still contain restrictions and limitations. The first issue is that non-original equipment manufacturer developers have limited access to the functionality of hardware-based TEE. Another issue of hardware-based TEE is the cross-platform problem. Since every mobile device supports different TEE vendors, it becomes an obstacle for developers to migrate their trusted applications to other Android devices. A software-based TEE solution is a potential approach that allows developers to customize, package and deliver the product efficiently. Motivated by that idea, this paper introduces a VTEE model, a software-based TEE solution, on Android devices. This research contributes to the analysis of the feasibility of using a virtualized TEE on Android devices by considering two metrics: computing performance and security. The experiment shows that the VTEE model can host other software-based TEE services and deliver various cryptography TEE functions on the Android environment. The security evaluation shows that adding the VTEE model to the existing Android does not add more security issues to the traditional design. Overall, this paper shows applicable solutions to adjust the balance between computing performance and security.     

可信执行环境软件侧信道攻击研究综述

为保护计算设备中安全敏感程序运行环境的安全,研究人员提出了可信执行环境(TEE)技术,通过对硬件和软件进行隔离为安全敏感程序提供一个与通用计算环境隔离的安全运行环境.侧信道攻击从传统的需要昂贵设备发展到现在仅基于微体系结构状态就能通过软件方式获取机密信息的访问模式,从而进一步推测出机密信息.TEE架构仅提供隔离机制,无法抵抗这类新出现的软件侧信道攻击.深入调研了ARM TrustZone、Intel SGX和AMD SEV这3种TEE架构的软件侧信道攻击及相应防御措施,并探讨其攻击和防御机制的发展趋势.首先,介绍了ARM TrustZone、Intel SGX和AMD SEV的基本原理,并详细阐述了软件侧信道攻击的定义以及缓存侧信道攻击的分类、方法和步骤;之后从处理器指令执行的角度,提出一种TEE攻击面分类方法,利用该方法对TEE软件侧信道攻击进行分类,并阐述了软件侧信道攻击与其他攻击相结合的组合攻击;然后详细讨论TEE软件侧信道攻击的威胁模型;最后全面总结业界对TEE软件侧信道攻击的防御措施,并从攻击和防御两方面探讨TEE软件侧信道攻击未来的研究趋势.     

Memory Optimization System for SGXv2 Trusted Execution Environment

Trusted Execution Environment (TEE) is an architectural solution for secure computing that requires confidentiality and integrity for private data and code. In recent years, TEE has become the research hotspot for machine learning privacy protection, encrypted database, blockchain security, etc. This paper addresses the performance problem of the system under this new trusted hardware. We analyze the performance of the new trusted hardware, i.e., Intel SGXv2. We find that the paging overhead in SGXv1 is no longer the main issue in SGXv2 under the premise of configuring large secure memory. However, the setup of large secure memory leads to two new problems. First, the available range of normal memory is narrowed down, which increases the memory pressure of normal applications, especially big data applications. Second, secure memory is usually underutilized, resulting in low overall physical memory utilization. To solve the above problems, this paper proposes a new lightweight code migration approach, which dynamically migrates the code of normal applications into secure memory, while leaving the data in place. The migrated code can use secure memory and avoid the drastic performance degradation caused by disk swapping. Experimental results show that the proposed approach can reduce the runtime overhead of normal applications by 73.2\% to 98.7\% without affecting the isolation and the use of secure applications.     

分布式环境下可信使用控制实施方案

当前分布式环境下,数据分发后产生了多种新的安全需求,传统的访问控制模型早已无法满足实际需要.因此,基于新型的使用控制模型UCON和可信计算技术,针对分布式环境下的信息安全需求,构建了一种通用的、可协商的可信使用控制架构TUC(trusted usage control).该架构利用硬件信任根TPM实施使用控制,引入策略和密钥协商机制,保证数据分发、传输、存储和使用控制过程中的机密性、完整性、可控性.此外,通过使用控制策略与分发数据的绑定,TUC的使用控制实施不会局限于特定的应用环境,增强了方案的通用性.针对原型系统的性能测试表明,TUC的表现达到了预期,为分布式环境下的访问控制实施提供了可行的解决方案.     

基于Trustzone的强安全需求环境下可信代码执行方案

针对工业4.0等具有强安全需求、计算功能相对固定的新型信息化应用场景,基于白名单思想提出了1种移动嵌入式平台可信代码执行方案.利用ARM Trustzone硬件隔离技术构建可信执行环境,结合ARM虚拟内存保护机制,构造内核飞地,确保系统监控模块无法被不可信内核篡改或绕过.以此为基础为可信进程提供可执行文件完整性、运行时代码完整性、控制流完整性3种层次的白名单保护,确保设备只能执行符合白名单策略的授权代码.通过构建通信客户端进程与Trustzone安全世界的安全共享内存区,利用Trustzone对外设中断事件的控制能力构建可信时钟中断源,确保Trustzone安全世界与中控服务器通信的隐私性、不可屏蔽性.在此基础上设计安全的白名单更新与平台状态证明协议.在真实设备上实现了原型系统,实验结果证明了该方案的安全性和较为理想的运行效率.     

面向客户端上下文隐私保护的可信分散式访问控制

隐私保护问题是当前访问控制研究领域的一个热点问题.为此提出一种可信分散式访问控制机制,以实现面向客户端上下文隐私保护的访问控制.可信分散式访问控制中包含了私有可信引用监视器和主引用监视器.私有可信引用监视器在安装了可信计算环境的客户端运行,用于评估客户端的访问控制请求,签署临时访问控制凭证;主引用监视器在服务端运行,用于评估临时访问控制凭证,决定客户端的访问是否被授权.由于具体的客户端上下文数据不会发送到服务器端,因此应用可信分散式访问控制,实现如简单位置相关的基于角色的访问控制,可以在客户端上下文相关的访问控制中很好地保护客户端的上下文数据隐私;此外,由于在该机制中客户端上下文是在客户端获取和处理的,因此可信分散式访问控制也可以减轻服务器端获取访问端的上下文的负担.安全性分析和性能实验表明,文中的访问控制机制可以有效地保护客户端上下文数据隐私.     

新型网络环境下的访问控制技术

访问控制是系统安全的关键技术,不同网络环境下的访问控制机制也是不同的.首先对3种传统的访问控制策略加以介绍,给出DAC(discretionary access control),MAC(mandatory access control)和RBAC(role-based access control)各自的特点及应用,并简要介绍下一代访问控制UCON(usage control)模型,然后分别针对网格、P2P、无线网络环境下的访问控制技术及目前的研究现状进行总结,详细阐述可信网络作为下一代互联网发展的必然     

基于精化的可信执行环境内存隔离机制验证

可信执行环境(trusted execution environment, TEE)基于硬件隔离机制,为安全敏感应用提供隔离的执行环境,保护敏感数据的安全性.内存隔离机制是TEE的关键机制之一,用于对安全内存和非安全内存进行隔离,并对安全内存实施访问控制,如果其安全性不能保证,可能造成存储在安全内存中的敏感数据泄露.为验证TEE内存隔离机制的安全性,针对基于ARM TrustZone技术构建的TEE,提出一种基于精化的可信执行环境内存隔离机制安全性验证方法.建立抽象模型和具体模型,并定义两种模型之间的精化关系,在证明精化关系成立和抽象模型满足信息流安全性的前提下,验证具体模型的信息流安全性.具体模型建模了TEE内存隔离机制的关键硬件和软件,包括TrustZone地址空间控制器、MMU和TrustZone monitor等,在定理证明器Isabelle/HOL中,验证了该模型满足无干扰、无泄露、无影响等信息流安全属性.