ORAM dalam Storan Awan dan Pemproses Selamat

Intel SGX (Sambungan Pengawal Perisian) menyediakan enklaf yang diasingkan oleh perkakasan, dengan kod dan data yang disulitkan serta diautentikasi. Walau bagaimanapun, sistem pengendalian masih boleh memerhatikan halaman memori yang dicapai oleh enklaf dengan memantau entri jadual halaman. Corak capaian pada peringkat halaman ini boleh dieksploitasi dalam serangan saluran sisi. Serangan klasik ialah "serangan saluran terkawal" oleh Xu, Cui dan Peinado (2015), yang membina semula kunci RSA daripada corak capaian memori SGX.

Selain corak capaian pada peringkat halaman, SGX terdedah kepada saluran sisi berasaskan pemasaan cache. Penyerang yang berkongsi pemproses boleh memerhatikan keberhasilan dan kegagalan cache yang disebabkan oleh enklaf, lalu membuat kesimpulan tentang corak capaian terperinci pada peringkat baris cache. Serangan ini berjaya kerana cache CPU dikongsi antara enklaf dengan kod yang tidak dipercayai. Langkah pengurangan risiko termasuk pengaturcaraan masa tetap dan ORAM untuk merawak corak capaian memori.

ZeroTrace (Sasy, Jha, Kerschbaum, 2018) melaksanakan ORAM Laluan dalam enklaf Intel SGX untuk menyediakan capaian memori tanpa pendedahan corak. Sistem pengendalian hos yang tidak dipercayai menyediakan pelayan ORAM (pepohon binari baldi), manakala enklaf SGX bertindak sebagai klien ORAM. ZeroTrace menambah pengoptimuman khusus SGX: peta kedudukan disimpan dalam enklaf (memori dipercayai), sekali gus menghapuskan keperluan ORAM rekursif untuk peta kedudukan.

Graphene-SGX (kini Gramine) dan SCONE ialah rangka kerja kontena SGX yang membolehkan aplikasi Linux tanpa pengubahsuaian dijalankan dalam enklaf. Kedua-dua rangka kerja telah diperluas dengan sokongan ORAM untuk menyembunyikan corak capaian daripada sistem pengendalian. SCONE dengan integrasi ORAM membolehkan pelaksanaan tanpa pendedahan corak bagi program Python, Go dan Java dalam SGX tanpa pengubahsuaian kod, menjadikan ORAM boleh digunakan oleh aplikasi tanpa integrasi manual.

Shroud (Volos, Jaleel, Emer, Burtscher, Forlin, 2018) melaksanakan versi tanpa pendedahan corak bagi struktur data asas (tatasusunan, tindanan, baris gilir dan peta) untuk digunakan dalam enklaf SGX. Shroud menggunakan gabungan ORAM dan algoritma yang tidak bergantung pada data bagi memastikan corak capaian memori enklaf tidak bergantung pada nilai data. Pendekatan ini lebih cekap berbanding menggunakan ORAM pada keseluruhan memori aplikasi kerana hanya struktur data sensitif disasarkan.

AWS Nitro Enclaves menyediakan persekitaran pengkomputeran terasing untuk memproses data yang sangat sensitif (nombor kad pembayaran, rekod penjagaan kesihatan). Berbeza daripada SGX, Nitro Enclaves mengasingkan pada peringkat mesin maya, bukannya peringkat proses. AWS tidak menyediakan ORAM secara lalai dalam Nitro Enclaves, tetapi jaminan kerahsiaan meliputi kandungan memori. Untuk privasi corak capaian, aplikasi yang berjalan dalam Nitro Enclaves mesti melaksanakan ORAM sendiri jika diperlukan.

ARM TrustZone menyediakan persekitaran pelaksanaan dipercayai (Dunia Selamat) yang diasingkan daripada OS biasa. Seperti SGX, TrustZone tidak sememangnya menyembunyikan corak capaian memori. Sistem penyelidikan seperti TrustORAM (Brasser, Dmitrienko, Sadeghi, Crane, Larsen, Franz) melaksanakan ORAM dalam TrustZone untuk melindungi capaian data sensitif pada peranti mudah alih dan peranti Internet Benda. TrustZone terdapat pada semua pemproses ARM moden, menjadikan TrustZone yang didayakan ORAM boleh digunakan secara meluas.

ObliDB (Eskandarian dan Boneh, 2017) ialah pangkalan data tanpa pendedahan corak yang menyembunyikan corak capaian bagi pertanyaan SQL standard. Ia menggunakan ORAM untuk pertanyaan titik dan pengisihan tanpa pendedahan corak untuk pertanyaan julat. Opaque (Zheng, Dave, Beekman, Popa, Hellerstein, Stoica, 2017) menjalankan pertanyaan SQL tanpa pendedahan corak menggunakan Apache Spark, Intel SGX dan ORAM. Opaque menunjukkan bahawa analitik data berskala pengeluaran (berjuta-juta rekod) boleh dilaksanakan dengan overhed ORAM.

Pengambilan Maklumat Peribadi (PIR) ialah primitif berkaitan untuk menyembunyikan corak capaian baca sahaja. PIR membolehkan klien mendapatkan elemen pangkalan data tanpa pelayan mengetahui elemen yang diperoleh. PIR berasaskan pengiraan (cPIR) mencapai perkara ini dengan overhed storan pelayan O(1) dan komunikasi O(sqrt(n)) atau O(polylog n). PIR lebih cekap berbanding ORAM untuk beban kerja baca sahaja, tetapi tidak dapat menyokong penulisan tanpa pendedahan corak.

Bagi capaian baca sahaja, PIR lebih cekap dari segi komunikasi berbanding ORAM: cPIR pelayan tunggal memerlukan komunikasi O(n^epsilon), manakala ORAM memerlukan O(log n) blok bagi setiap capaian. Walau bagaimanapun, PIR memerlukan pengiraan pada bahagian pelayan (linear terhadap saiz pangkalan data bagi PIR pelayan tunggal), manakala ORAM meletakkan semua pengiraan pada klien. PIR berbilang pelayan (selamat dari segi teori maklumat dengan 2 pelayan yang tidak bersekongkol) sangat cekap dan sesuai untuk penggunaan CDN.

Hala tuju penyelidikan dalam ORAM termasuk: mengurangkan overhed komunikasi menuju batas bawah teori O(log n) (OptORAMa mencapainya secara asimptotik), ORAM untuk RAM kuantum (QRAM), ORAM dengan privasi berbeza (menyembunyikan sama ada blok yang sama dicapai dua kali) dan ORAM dalam penyulitan homomorfik (FHE-ORAM untuk pengiraan yang disumber luar). Integrasi ORAM dengan persekitaran pelaksanaan dipercayai berasaskan perkakasan kekal sebagai hala tuju penyelidikan yang paling berimpak dari segi praktikal.

Intel SGX membocorkan corak capaian pada peringkat halaman dan cache, sekali gus membolehkan serangan saluran terkawal serta serangan pemasaan cache. ZeroTrace melaksanakan ORAM Laluan dalam SGX untuk menghapuskan kebocoran ini. Graphene-SGX dan SCONE menyediakan integrasi ORAM pada peringkat kontena. ObliDB dan Opaque menunjukkan bahawa pertanyaan SQL tanpa pendedahan corak melalui ORAM boleh dijalankan pada skala pengeluaran. PIR ialah alternatif yang cekap untuk capaian baca sahaja. Penyelidikan ORAM terus menuju batas bawah komunikasi log n dan integrasi dengan penyulitan homomorfik.