ORAM i cloud storage og sikre processorer

Intel SGX (Software Guard Extensions) leverer hardwareisolerede enklaver, hvor kode og data er krypteret og godkendt. Operativsystemet kan dog stadig observere, hvilke hukommelsessider enklaven tilgår, ved at overvåge poster i sidetabellen. Dette adgangsmønster på sideniveau kan udnyttes i sidekanalangreb. Et klassisk angreb er angrebet via en kontrolleret kanal af Xu, Cui og Peinado (2015), som genskabte RSA-nøgler ud fra SGX's hukommelsesadgangsmønstre.

Ud over adgangsmønstre på sideniveau er SGX sårbar over for sidekanaler baseret på cache-timing. En angriber, der deler processoren, kan observere cache-hits og cache-misses forårsaget af enklaven og udlede adgangsmønstre med fin opløsning (på cachelinjeniveau). Disse angreb er mulige, fordi CPU-cachen deles mellem enklaven og ikke-betroet kode. Modforanstaltninger omfatter programmering med konstant tid og ORAM til at randomisere hukommelsesadgangsmønstre.

ZeroTrace (Sasy, Jha, Kerschbaum, 2018) implementerer Path ORAM i en Intel SGX-enklave for at levere adgang til hukommelsen uden afsløring af adgangsmønstre. Det ikke-betroede værts-OS leverer ORAM-serveren (det binære træ af buckets), mens SGX-enklaven fungerer som ORAM-klient. ZeroTrace tilføjer en SGX-specifik optimering: Positionskortet opbevares i enklaven (betroet hukommelse), så rekursiv ORAM til positionskortet kan undgås.

Graphene-SGX (nu Gramine) og SCONE er SGX-containerframeworks, der gør det muligt at køre uændrede Linux-applikationer i enklaver. Begge frameworks er blevet udvidet med ORAM-understøttelse for at skjule adgangsmønstre for OS'et. SCONE med ORAM-integration gør det muligt at udføre Python-, Go- og Java-programmer med skjulte adgangsmønstre i SGX uden ændringer af koden, så applikationer kan bruge ORAM uden manuel integration.

Shroud (Volos, Jaleel, Emer, Burtscher, Forlin, 2018) implementerer adgangsmønster-skjulende versioner af grundlæggende datastrukturer (tabeller, stakke, køer og afbildninger) til brug i SGX-enklaver. Shroud kombinerer ORAM med datauafhængige algoritmer for at sikre, at enklavens hukommelsesadgangsmønstre ikke afhænger af dataværdierne. Dette er mere effektivt end at anvende ORAM på hele applikationens hukommelse, fordi metoden kun retter sig mod følsomme datastrukturer.

AWS Nitro Enclaves leverer isolerede beregningsmiljøer til behandling af meget følsomme data (betalingskortnumre, sundhedsoplysninger). I modsætning til SGX isolerer Nitro Enclaves på virtuelt maskinniveau i stedet for procesniveau. AWS leverer ikke ORAM som standard i Nitro Enclaves, men fortrolighedsgarantierne omfatter hukommelsesindholdet. For at beskytte adgangsmønstre skal applikationer, der kører i Nitro Enclaves, selv implementere ORAM, hvis det er nødvendigt.

ARM TrustZone leverer et betroet eksekveringsmiljø (Secure World), der er isoleret fra det almindelige OS. Ligesom SGX skjuler TrustZone ikke i sig selv hukommelsesadgangsmønstre. Forskningssystemer som TrustORAM (Brasser, Dmitrienko, Sadeghi, Crane, Larsen, Franz) implementerer ORAM i TrustZone for at beskytte adgang til følsomme data på mobile enheder og IoT-enheder. TrustZone findes i alle moderne ARM-processorer, hvilket gør TrustZone med ORAM bredt implementerbar.

ObliDB (Eskandarian og Boneh, 2017) er en adgangsmønster-skjulende database, der skjuler adgangsmønstre ved standardforespørgsler i SQL. Den bruger ORAM til punktforespørgsler og adgangsmønster-skjulende sortering til intervalforespørgsler. Opaque (Zheng, Dave, Beekman, Popa, Hellerstein, Stoica, 2017) kører SQL-forespørgsler med skjulte adgangsmønstre oven på Apache Spark ved hjælp af Intel SGX og ORAM. Opaque viser, at dataanalyse i produktionsskala (millioner af poster) er mulig med ORAM-ekstraforbrug.

Privat informationssøgning (PIR) er en beslægtet primitiv til at skjule adgangsmønstre ved skrivebeskyttet adgang. PIR gør det muligt for en klient at hente et databaseelement, uden at serveren får kendskab til, hvilket element der blev hentet. Beregningsmæssig PIR (cPIR) opnår dette med O(1) ekstraforbrug for serverlageret og O(sqrt(n)) eller O(polylog n) kommunikation. PIR er mere effektiv end ORAM til arbejdsbelastninger med skrivebeskyttet adgang, men kan ikke understøtte skrivninger med skjulte adgangsmønstre.

Ved skrivebeskyttet adgang er PIR mere kommunikationseffektiv end ORAM: cPIR med én server kræver O(n^epsilon) kommunikation, mens ORAM kræver O(log n) blokke pr. adgang. PIR kræver dog beregning på serversiden (lineær i databasens størrelse for PIR med én server), mens ORAM placerer al beregning hos klienten. PIR med flere servere (informations-teoretisk sikker med 2 servere, der ikke samarbejder) er meget effektiv og egnet til implementeringer i CDN'er.

Forskningsretninger inden for ORAM omfatter reduktion af kommunikationsomkostningerne mod den teoretiske nedre grænse på O(log n) (OptORAMa opnår dette asymptotisk), ORAM til kvante-RAM (QRAM), differentielt privat ORAM (skjule, om den samme blok tilgås to gange) og ORAM i homomorf kryptering (FHE-ORAM til outsourcet beregning). Integrationen af ORAM med hardwarebaserede betroede eksekveringsmiljøer er fortsat den forskningsretning, der har størst praktisk betydning.

Intel SGX lækker adgangsmønstre på side- og cacheniveau, hvilket muliggør angreb via kontrollerede kanaler og cache-timing-angreb. ZeroTrace implementerer Path ORAM i SGX for at eliminere disse lækager. Graphene-SGX og SCONE leverer ORAM-integration på containerniveau. ObliDB og Opaque viser SQL med skjulte adgangsmønstre over ORAM i produktionsskala. PIR er et effektivt alternativ til skrivebeskyttet adgang. ORAM-forskningen fortsætter mod den log n-kommunikationsmæssige nedre grænse og integration med homomorf kryptering.