ORAM em Armazenamento em Nuvem e Processadores Seguros

O Intel SGX (Extensões de Proteção de Software) fornece enclaves isolados pelo equipamento, nos quais o código e os dados são criptografados e autenticados. No entanto, o sistema operacional ainda pode observar quais páginas de memória o enclave acessa monitorando as entradas da tabela de páginas. Esse padrão de acesso no nível de páginas pode ser explorado em ataques por canais laterais. Um ataque clássico é o "ataque de canal controlado", de Xu, Cui e Peinado (2015), que reconstruiu chaves RSA a partir de padrões de acesso à memória do SGX.

Além dos padrões de acesso no nível de páginas, o SGX é vulnerável a canais laterais de temporização da memória cache. Um atacante que compartilha o processador pode observar os acertos e as falhas na memória cache causados pelo enclave, inferindo padrões de acesso detalhados (no nível das linhas da memória cache). Esses ataques funcionam porque a memória cache do CPU é compartilhada entre o enclave e o código não confiável. As medidas de mitigação incluem programação em tempo constante e ORAM para aleatorizar os padrões de acesso à memória.

ZeroTrace (Sasy, Jha, Kerschbaum, 2018) implementa o Path ORAM dentro de um enclave Intel SGX para oferecer acesso oculto à memória. O sistema operacional hospedeiro não confiável fornece o servidor ORAM (a árvore binária de compartimentos), enquanto o enclave SGX atua como cliente ORAM. ZeroTrace acrescenta uma otimização específica do SGX: o mapa de posições é mantido dentro do enclave (memória confiável), eliminando o ORAM recursivo para o mapa de posições.

Graphene-SGX (agora Gramine) e SCONE são estruturas de contêineres SGX que permitem executar aplicações Linux sem modificações dentro de enclaves. Ambas as estruturas foram ampliadas com suporte a ORAM para ocultar os padrões de acesso do sistema operacional. A integração de ORAM com SCONE permite a execução com acesso oculto de programas Python, Go e Java em SGX sem modificar o código, tornando o ORAM acessível a aplicações sem integração manual.

Shroud (Volos, Jaleel, Emer, Burtscher, Forlin, 2018) implementa versões com acesso oculto de estruturas de dados fundamentais (vetores, pilhas, filas e mapas) para uso dentro de enclaves SGX. Shroud combina ORAM e algoritmos independentes dos dados para garantir que os padrões de acesso à memória do enclave não dependam dos valores dos dados. Isso é mais eficiente do que aplicar ORAM à memória inteira da aplicação, pois direciona a proteção apenas às estruturas de dados sensíveis.

AWS Nitro Enclaves fornece ambientes de computação isolados para processar dados altamente sensíveis (números de cartões de pagamento, registros de saúde). Diferentemente do SGX, o Nitro Enclaves isola no nível da máquina virtual, e não no nível do processo. A AWS não fornece ORAM por padrão no Nitro Enclaves, mas as garantias de confidencialidade abrangem o conteúdo da memória. Para obter privacidade dos padrões de acesso, as aplicações executadas no Nitro Enclaves devem implementar seu próprio ORAM, quando necessário.

O ARM TrustZone fornece um ambiente de execução confiável (Mundo Seguro) isolado do sistema operacional convencional. Assim como o SGX, o TrustZone não oculta inerentemente os padrões de acesso à memória. Sistemas de pesquisa como o TrustORAM (Brasser, Dmitrienko, Sadeghi, Crane, Larsen, Franz) implementam ORAM dentro do TrustZone para proteger o acesso a dados sensíveis em dispositivos móveis e na Internet das Coisas. O TrustZone está presente em todos os processadores ARM modernos, tornando o TrustZone com suporte a ORAM amplamente implantável.

ObliDB (Eskandarian e Boneh, 2017) é um banco de dados com acesso oculto que esconde os padrões de acesso de consultas SQL padrão. Ele usa ORAM para consultas pontuais e ordenação com acesso oculto para consultas por intervalo. Opaque (Zheng, Dave, Beekman, Popa, Hellerstein, Stoica, 2017) executa consultas SQL com acesso oculto sobre o Apache Spark usando Intel SGX e ORAM. Opaque demonstra que a análise de dados em escala de produção (milhões de registros) é viável com a sobrecarga do ORAM.

A recuperação privada de informações (PIR) é uma primitiva relacionada para ocultar padrões de acesso somente de leitura. A PIR permite que um cliente recupere um elemento de um banco de dados sem que o servidor descubra qual elemento foi recuperado. A PIR computacional (cPIR) alcança isso com uma sobrecarga de armazenamento no servidor de O(1) e comunicação de O(sqrt(n)) ou O(polylog n). A PIR é mais eficiente que o ORAM para cargas de trabalho somente de leitura, mas não oferece suporte a gravações com acesso oculto.

Para acesso somente de leitura, a PIR é mais eficiente em comunicação do que o ORAM: a cPIR com servidor único exige comunicação de O(n^epsilon), enquanto o ORAM exige O(log n) blocos por acesso. No entanto, a PIR exige computação no servidor (linear em relação ao tamanho do banco de dados para a PIR com servidor único), enquanto o ORAM concentra toda a computação no cliente. A PIR com vários servidores (segura no sentido teórico da informação, com 2 servidores que não colaboram) é muito eficiente e adequada para implantações de CDN.

As direções de pesquisa em ORAM incluem: reduzir a sobrecarga de comunicação em direção ao limite inferior teórico de O(log n) (OptORAMa alcança esse limite assintoticamente), ORAM para RAM quântica (QRAM), ORAM com privacidade diferencial (ocultando se o mesmo bloco é acessado duas vezes) e ORAM em criptografia homomórfica (FHE-ORAM para computação terceirizada). A integração do ORAM com ambientes de execução confiáveis baseados em equipamento continua sendo a direção de pesquisa com maior impacto prático.

Por que o Intel SGX sozinho não consegue proteger completamente contra o vazamento de padrões de acesso?

O Intel SGX vaza padrões de acesso no nível de páginas e de memória cache, permitindo ataques de canal controlado e de temporização da memória cache. ZeroTrace implementa o Path ORAM dentro do SGX para eliminar esses vazamentos. Graphene-SGX e SCONE fornecem integração de ORAM no nível de contêineres. ObliDB e Opaque demonstram SQL com acesso oculto sobre ORAM em escala de produção. A PIR é uma alternativa eficiente para acesso somente de leitura. A pesquisa em ORAM continua avançando em direção ao limite inferior de comunicação de log n e à integração com criptografia homomórfica.