ORAM w pamięci masowej w chmurze i bezpiecznych procesorach

Intel SGX (Software Guard Extensions) zapewnia enklawy izolowane sprzętowo, w których kod i dane są szyfrowane i uwierzytelniane. System operacyjny może jednak nadal obserwować, do których stron pamięci uzyskuje dostęp enklawa, monitorując wpisy tablic stron. Ten wzorzec dostępu na poziomie stron może być wykorzystywany w atakach kanałami bocznymi. Klasycznym przykładem jest „atak kontrolowanego kanału” autorstwa Xu, Cui i Peinado (2015), który odtworzył klucze RSA na podstawie wzorców dostępu do pamięci SGX.

Oprócz wzorców dostępu na poziomie stron SGX jest podatny na kanały boczne oparte na pomiarze czasu pamięci podręcznej. Atakujący współdzielący procesor może obserwować trafienia i chybienia pamięci podręcznej powodowane przez enklawę, wnioskując o szczegółowych wzorcach dostępu na poziomie linii pamięci podręcznej. Ataki te są możliwe, ponieważ pamięć podręczna procesora jest współdzielona przez enklawę i niezaufany kod. Środki zaradcze obejmują programowanie ze stałym czasem wykonania oraz ORAM, który losowo zmienia wzorce dostępu do pamięci.

ZeroTrace (Sasy, Jha, Kerschbaum, 2018) implementuje Path ORAM wewnątrz enklawy Intel SGX, aby zapewnić niejawny dostęp do pamięci. Niezaufany system operacyjny hosta udostępnia serwer ORAM (binarne drzewo kubełków), a enklawa SGX pełni funkcję klienta ORAM. ZeroTrace dodaje optymalizację właściwą dla SGX: mapa pozycji jest przechowywana wewnątrz enklawy (w zaufanej pamięci), co eliminuje rekurencyjny ORAM dla mapy pozycji.

Graphene-SGX (obecnie Gramine) i SCONE to platformy kontenerowe SGX umożliwiające uruchamianie niezmodyfikowanych aplikacji linuksowych wewnątrz enklaw. Obie platformy rozszerzono o obsługę ORAM, aby ukrywać wzorce dostępu przed systemem operacyjnym. Integracja SCONE z ORAM umożliwia niejawne wykonywanie programów w Pythonie, Go i Javie w SGX bez modyfikowania kodu, dzięki czemu aplikacje mogą korzystać z ORAM bez ręcznej integracji.

Shroud (Volos, Jaleel, Emer, Burtscher, Forlin, 2018) implementuje niejawne wersje podstawowych struktur danych (tablic, stosów, kolejek i map) do użycia wewnątrz enklaw SGX. Shroud łączy ORAM z algorytmami niezależnymi od danych, aby zapewnić, że wzorce dostępu do pamięci enklawy nie zależą od wartości danych. Jest to wydajniejsze niż zastosowanie ORAM do całej pamięci aplikacji, ponieważ rozwiązanie obejmuje tylko wrażliwe struktury danych.

AWS Nitro Enclaves zapewniają izolowane środowiska obliczeniowe do przetwarzania wysoce wrażliwych danych (numerów kart płatniczych, dokumentacji medycznej). W przeciwieństwie do SGX mechanizm Nitro Enclaves zapewnia izolację na poziomie maszyny wirtualnej, a nie procesu. AWS nie udostępnia domyślnie ORAM w Nitro Enclaves, ale gwarancje poufności obejmują zawartość pamięci. Jeśli potrzebna jest prywatność wzorców dostępu, aplikacje uruchamiane w Nitro Enclaves muszą samodzielnie zaimplementować ORAM.

ARM TrustZone zapewnia zaufane środowisko wykonywania (Secure World) odizolowane od zwykłego systemu operacyjnego. Podobnie jak SGX, TrustZone nie ukrywa samoczynnie wzorców dostępu do pamięci. Systemy badawcze, takie jak TrustORAM (Brasser, Dmitrienko, Sadeghi, Crane, Larsen, Franz), implementują ORAM wewnątrz TrustZone, aby chronić dostęp do wrażliwych danych na urządzeniach mobilnych i IoT. TrustZone jest obecne we wszystkich nowoczesnych procesorach ARM, dzięki czemu TrustZone z obsługą ORAM można wdrażać na szeroką skalę.

ObliDB (Eskandarian and Boneh, 2017) to niejawna baza danych, która ukrywa wzorce dostępu podczas wykonywania standardowych zapytań SQL. Wykorzystuje ORAM do zapytań punktowych oraz niejawne sortowanie do zapytań zakresowych. Opaque (Zheng, Dave, Beekman, Popa, Hellerstein, Stoica, 2017) wykonuje zapytania SQL w sposób niejawny w Apache Spark, korzystając z Intel SGX i ORAM. Opaque pokazuje, że analityka danych na skalę produkcyjną (obejmująca miliony rekordów) jest możliwa mimo narzutu ORAM.

Prywatne wyszukiwanie informacji (PIR) to pokrewny prymityw ukrywający wzorce dostępu w przypadku dostępu tylko do odczytu. PIR umożliwia klientowi pobranie elementu bazy danych bez ujawniania serwerowi, który element został pobrany. Obliczeniowe PIR (cPIR) osiąga to przy stałym narzucie przechowywania po stronie serwera O(1) oraz komunikacji O(sqrt(n)) lub O(polylog n). PIR jest wydajniejszy niż ORAM w przypadku obciążeń tylko do odczytu, ale nie obsługuje niejawnych zapisów.

W przypadku dostępu tylko do odczytu PIR jest wydajniejszy komunikacyjnie niż ORAM: cPIR z jednym serwerem wymaga komunikacji O(n^epsilon), podczas gdy ORAM wymaga O(log n) bloków na dostęp. PIR wymaga jednak obliczeń po stronie serwera (w przypadku PIR z jednym serwerem liniowych względem rozmiaru bazy danych), podczas gdy ORAM przenosi wszystkie obliczenia na klienta. PIR z wieloma serwerami (zabezpieczony informacyjnie przy założeniu 2 niekolidujących serwerów) jest bardzo wydajny i nadaje się do wdrożeń CDN.

Kierunki badań nad ORAM obejmują redukcję narzutu komunikacyjnego w stronę teoretycznej dolnej granicy O(log n) (OptORAMa osiąga ją asymptotycznie), ORAM dla kwantowej pamięci RAM (QRAM), ORAM z prywatnością różnicową (ukrywający, czy ten sam blok został odczytany dwukrotnie) oraz ORAM w szyfrowaniu homomorficznym (FHE-ORAM do obliczeń zlecanych zewnętrznie). Integracja ORAM ze sprzętowymi zaufanymi środowiskami wykonywania pozostaje kierunkiem badań o największym praktycznym znaczeniu.

Dlaczego sam Intel SGX nie zapewnia pełnej ochrony przed wyciekiem wzorców dostępu?

Intel SGX ujawnia wzorce dostępu na poziomie stron i pamięci podręcznej, umożliwiając ataki kontrolowanego kanału oraz ataki oparte na pomiarze czasu pamięci podręcznej. ZeroTrace implementuje Path ORAM wewnątrz SGX, aby wyeliminować te wycieki. Graphene-SGX i SCONE zapewniają integrację ORAM na poziomie kontenerów. ObliDB i Opaque pokazują, że niejawne zapytania SQL oparte na ORAM mogą działać na skalę produkcyjną. PIR jest wydajną alternatywą dla dostępu tylko do odczytu. Badania nad ORAM zmierzają w stronę dolnej granicy komunikacji log n oraz integracji z szyfrowaniem homomorficznym.