ORAM nello storage cloud e nei processori sicuri

Intel SGX (Software Guard Extensions) fornisce enclave isolate a livello hardware, in cui codice e dati sono cifrati e autenticati. Tuttavia, il sistema operativo può comunque osservare quali pagine di memoria vengono consultate dall'enclave monitorando le voci della tabella delle pagine. Questo pattern di accesso a livello di pagina può essere sfruttato negli attacchi side-channel. Un attacco classico è il "controlled channel attack" di Xu, Cui e Peinado (2015), che ha ricostruito chiavi RSA dai pattern di accesso alla memoria di SGX.

Oltre ai pattern di accesso a livello di pagina, SGX è vulnerabile ai side-channel basati sui tempi della cache. Un attaccante che condivide il processore può osservare gli hit e i miss della cache causati dall'enclave, deducendo pattern di accesso a grana fine (a livello di linea di cache). Questi attacchi sono possibili perché la cache della CPU è condivisa tra l'enclave e il codice non attendibile. Le contromisure includono la programmazione a tempo costante e ORAM per randomizzare i pattern di accesso alla memoria.

ZeroTrace (Sasy, Jha, Kerschbaum, 2018) implementa Path ORAM all'interno di un'enclave Intel SGX per fornire accessi oblivious alla memoria. Il sistema operativo host non attendibile fornisce il server ORAM (l'albero binario dei bucket), mentre l'enclave SGX funge da client ORAM. ZeroTrace aggiunge un'ottimizzazione specifica per SGX: la mappa delle posizioni viene mantenuta all'interno dell'enclave (memoria trusted), eliminando la necessità di un ORAM ricorsivo per la mappa delle posizioni.

Graphene-SGX (ora Gramine) e SCONE sono framework per container SGX che consentono di eseguire applicazioni Linux non modificate all'interno di enclave. Entrambi i framework sono stati estesi con il supporto per ORAM, così da nascondere i pattern di accesso al sistema operativo. L'integrazione di ORAM con SCONE consente l'esecuzione oblivious di programmi Python, Go e Java in SGX senza modifiche al codice, rendendo ORAM accessibile alle applicazioni senza un'integrazione manuale.

Shroud (Volos, Jaleel, Emer, Burtscher, Forlin, 2018) implementa versioni oblivious delle strutture dati fondamentali (array, stack, code e mappe) da utilizzare all'interno delle enclave SGX. Shroud combina ORAM e algoritmi indipendenti dai dati per garantire che i pattern di accesso alla memoria dell'enclave non dipendano dai valori dei dati. È più efficiente dell'applicazione di ORAM all'intera memoria dell'applicazione, perché prende di mira solo le strutture dati sensibili.

AWS Nitro Enclaves fornisce ambienti di calcolo isolati per l'elaborazione di dati altamente sensibili (numeri di carte di pagamento, cartelle cliniche). A differenza di SGX, Nitro Enclaves isola a livello di macchina virtuale anziché a livello di processo. AWS non fornisce ORAM per impostazione predefinita in Nitro Enclaves, ma le garanzie di riservatezza coprono il contenuto della memoria. Per la privacy dei pattern di accesso, le applicazioni eseguite in Nitro Enclaves devono implementare autonomamente ORAM, se necessario.

ARM TrustZone fornisce un ambiente di esecuzione affidabile (Secure World) isolato dal sistema operativo normale. Come SGX, TrustZone non nasconde intrinsecamente i pattern di accesso alla memoria. Sistemi di ricerca come TrustORAM (Brasser, Dmitrienko, Sadeghi, Crane, Larsen, Franz) implementano ORAM all'interno di TrustZone per proteggere l'accesso ai dati sensibili nei dispositivi mobili e nell'IoT. TrustZone è presente in tutti i moderni processori ARM, rendendo ampiamente distribuibile TrustZone con supporto per ORAM.

ObliDB (Eskandarian e Boneh, 2017) è un database oblivious che nasconde i pattern di accesso per le query SQL standard. Utilizza ORAM per le query puntuali e l'ordinamento oblivious per le query su intervalli. Opaque (Zheng, Dave, Beekman, Popa, Hellerstein, Stoica, 2017) esegue query SQL in modo oblivious su Apache Spark utilizzando Intel SGX e ORAM. Opaque dimostra che l'analisi dei dati su scala di produzione (milioni di record) è realizzabile con il sovraccarico di ORAM.

Il Private Information Retrieval (PIR) è una primitiva correlata per nascondere i pattern di accesso in sola lettura. PIR consente a un client di recuperare un elemento di un database senza che il server sappia quale elemento è stato recuperato. Il PIR computazionale (cPIR) raggiunge questo obiettivo con un sovraccarico di archiviazione lato server pari a O(1) e una comunicazione pari a O(sqrt(n)) o O(polylog n). PIR è più efficiente di ORAM per i carichi di lavoro in sola lettura, ma non può supportare scritture oblivious.

Per gli accessi in sola lettura, PIR è più efficiente di ORAM in termini di comunicazione: il cPIR a server singolo richiede una comunicazione O(n^epsilon), mentre ORAM richiede O(log n) blocchi per accesso. Tuttavia, PIR richiede calcolo lato server (lineare rispetto alle dimensioni del database per il PIR a server singolo), mentre ORAM affida tutto il calcolo al client. Il PIR multi-server (sicuro dal punto di vista informativo con 2 server non colludenti) è molto efficiente e adatto alle implementazioni CDN.

Le direzioni di ricerca in ORAM includono: ridurre il sovraccarico di comunicazione verso il limite inferiore teorico O(log n) (OptORAMa lo raggiunge asintoticamente), ORAM per la RAM quantistica (QRAM), ORAM a privacy differenziale (che nasconde se lo stesso blocco viene consultato due volte) e ORAM nella cifratura omomorfica (FHE-ORAM per il calcolo esternalizzato). L'integrazione di ORAM con ambienti di esecuzione trusted basati su hardware rimane la direzione di ricerca con il maggiore impatto pratico.

Intel SGX espone i pattern di accesso a livello di pagina e di cache, consentendo attacchi controlled-channel e cache-timing. ZeroTrace implementa Path ORAM all'interno di SGX per eliminare queste fughe. Graphene-SGX e SCONE forniscono l'integrazione di ORAM a livello di container. ObliDB e Opaque dimostrano SQL oblivious su ORAM su scala di produzione. PIR è un'alternativa efficiente per gli accessi in sola lettura. La ricerca su ORAM prosegue verso il limite inferiore di comunicazione log n e l'integrazione con la cifratura omomorfica.