ORAM dalam Penyimpanan Awan dan Prosesor Aman

Intel SGX (Ekstensi Perlindungan Perangkat Lunak) menyediakan enklave yang diisolasi oleh perangkat keras, tempat kode dan data dienkripsi serta diautentikasi. Namun, sistem operasi tetap dapat mengamati halaman memori mana yang diakses enklave dengan memantau entri tabel halaman. Pola akses tingkat halaman ini dapat dieksploitasi dalam serangan kanal samping. Salah satu serangan klasik adalah "serangan kanal terkontrol" oleh Xu, Cui, dan Peinado (2015), yang merekonstruksi kunci RSA dari pola akses memori SGX.

Selain pola akses tingkat halaman, SGX rentan terhadap kanal samping pewaktuan tembolok. Penyerang yang berbagi prosesor dapat mengamati keberhasilan dan kegagalan tembolok yang disebabkan oleh enklave, lalu menyimpulkan pola akses terperinci pada tingkat baris tembolok. Serangan ini berhasil karena tembolok CPU digunakan bersama oleh enklave dan kode yang tidak tepercaya. Mitigasinya mencakup pemrograman dengan waktu tetap dan ORAM untuk mengacak pola akses memori.

ZeroTrace (Sasy, Jha, Kerschbaum, 2018) menerapkan Path ORAM di dalam enklave Intel SGX untuk menyediakan akses memori tersamar. OS induk yang tidak tepercaya menyediakan peladen ORAM (pohon biner yang terdiri atas wadah), sedangkan enklave SGX bertindak sebagai klien ORAM. ZeroTrace menambahkan pengoptimalan khusus SGX: peta posisi disimpan di dalam enklave (memori tepercaya), sehingga ORAM rekursif untuk peta posisi tidak diperlukan.

Graphene-SGX (sekarang Gramine) dan SCONE adalah kerangka kerja kontainer SGX yang memungkinkan aplikasi Linux tanpa modifikasi dijalankan di dalam enklave. Kedua kerangka kerja tersebut telah diperluas dengan dukungan ORAM untuk menyembunyikan pola akses dari sistem operasi. SCONE dengan integrasi ORAM memungkinkan eksekusi tersamar program Python, Go, dan Java di SGX tanpa modifikasi kode, sehingga ORAM dapat digunakan oleh aplikasi tanpa integrasi manual.

Shroud (Volos, Jaleel, Emer, Burtscher, Forlin, 2018) menerapkan versi tersamar dari struktur data dasar (larik, tumpukan, antrean, dan peta) untuk digunakan di dalam enklave SGX. Shroud menggunakan kombinasi ORAM dan algoritme yang tidak bergantung pada data untuk memastikan bahwa pola akses memori enklave tidak bergantung pada nilai data. Cara ini lebih efisien daripada menerapkan ORAM pada seluruh memori aplikasi karena hanya menargetkan struktur data yang sensitif.

AWS Nitro Enclaves menyediakan lingkungan komputasi terisolasi untuk memproses data yang sangat sensitif (nomor kartu pembayaran dan rekam medis). Tidak seperti SGX, Nitro Enclaves melakukan isolasi pada tingkat mesin virtual, bukan pada tingkat proses. AWS tidak menyediakan ORAM secara bawaan dalam Nitro Enclaves, tetapi jaminan kerahasiaannya mencakup isi memori. Untuk privasi pola akses, aplikasi yang berjalan di Nitro Enclaves harus menerapkan ORAM sendiri jika diperlukan.

ARM TrustZone menyediakan lingkungan eksekusi tepercaya (Dunia Aman) yang terisolasi dari OS biasa. Seperti SGX, TrustZone tidak secara bawaan menyembunyikan pola akses memori. Sistem penelitian seperti TrustORAM (Brasser, Dmitrienko, Sadeghi, Crane, Larsen, Franz) menerapkan ORAM di dalam TrustZone untuk melindungi akses ke data sensitif pada perangkat seluler dan perangkat Internet untuk Segala Hal. TrustZone tersedia pada semua prosesor ARM modern, sehingga TrustZone yang dilengkapi ORAM dapat diterapkan secara luas.

ObliDB (Eskandarian dan Boneh, 2017) adalah basis data tersamar yang menyembunyikan pola akses untuk kueri SQL standar. ObliDB menggunakan ORAM untuk kueri titik dan pengurutan tersamar untuk kueri rentang. Opaque (Zheng, Dave, Beekman, Popa, Hellerstein, Stoica, 2017) menjalankan kueri SQL secara tersamar di atas Apache Spark menggunakan Intel SGX dan ORAM. Opaque menunjukkan bahwa analitik data berskala produksi (jutaan catatan) dapat dilakukan dengan beban tambahan ORAM.

Pengambilan Informasi Privat (PIR) adalah primitif terkait untuk menyembunyikan pola akses hanya-baca. PIR memungkinkan klien mengambil sebuah elemen basis data tanpa membuat peladen mengetahui elemen mana yang diambil. PIR komputasional (cPIR) mencapai hal ini dengan beban tambahan penyimpanan peladen O(1) dan komunikasi O(sqrt(n)) atau O(polylog n). PIR lebih efisien daripada ORAM untuk beban kerja hanya-baca, tetapi tidak dapat mendukung penulisan tersamar.

Untuk akses hanya-baca, PIR lebih efisien dalam komunikasi daripada ORAM: cPIR peladen tunggal memerlukan komunikasi O(n^epsilon), sedangkan ORAM memerlukan log n blok per akses. Namun, PIR memerlukan komputasi di sisi peladen (linear terhadap ukuran basis data untuk PIR peladen tunggal), sedangkan ORAM menempatkan seluruh komputasi pada klien. PIR multipeladen (aman secara teoretis-informasi dengan 2 peladen yang tidak berkolusi) sangat efisien dan cocok untuk penerapan CDN.

Arah penelitian dalam ORAM mencakup: mengurangi beban tambahan komunikasi menuju batas bawah teoretis O(log n) (OptORAMa mencapai batas ini secara asimtotik), ORAM untuk RAM kuantum (QRAM), ORAM privat diferensial (menyembunyikan apakah blok yang sama diakses dua kali), dan ORAM dalam enkripsi homomorfik (FHE-ORAM untuk komputasi yang dialihdayakan). Integrasi ORAM dengan lingkungan eksekusi tepercaya berbasis perangkat keras tetap menjadi arah penelitian yang paling berdampak secara praktis.

Mengapa Intel SGX saja tidak cukup untuk melindungi sepenuhnya dari kebocoran pola akses?

Intel SGX membocorkan pola akses tingkat halaman dan tingkat tembolok, sehingga memungkinkan serangan kanal terkontrol dan serangan pewaktuan tembolok. ZeroTrace menerapkan Path ORAM di dalam SGX untuk menghilangkan kebocoran ini. Graphene-SGX dan SCONE menyediakan integrasi ORAM pada tingkat kontainer. ObliDB dan Opaque menunjukkan SQL tersamar di atas ORAM pada skala produksi. PIR adalah alternatif yang efisien untuk akses hanya-baca. Penelitian ORAM terus diarahkan menuju batas bawah komunikasi log n dan integrasi dengan enkripsi homomorfik.