一種基于可信執(zhí)行環(huán)境的機密計算框架設(shè)計與實現(xiàn)一種基于可信執(zhí)行環(huán)境的機密計算框架設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：現(xiàn)在，許多的計算任務(wù)需要在不可信的環(huán)境中進行，這種環(huán)境不可避免地可能存在著惡意的攻擊者，他們可能會對系統(tǒng)進行攻擊，從而竊取敏感信息，甚至完全破壞整個系統(tǒng)。為了解決這個問題，本文提出一種基于可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）的機密計算框架。該框架借助于TEE的強大安全保障機制，可以確保計算進程和敏感數(shù)據(jù)得到完全保護。我們在IntelSGX平臺上實現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)，并進行了詳細的安全性評估。結(jié)果表明，我們提出的框架可以在合理的安全威脅模型下提供強大的安全保障。

關(guān)鍵詞：基于TEE的機密計算；可信執(zhí)行環(huán)境；安全性保障

一、引言

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的計算任務(wù)需要在不信任的環(huán)境中進行。這種環(huán)境不可避免地可能存在著惡意的攻擊者，他們可能會對系統(tǒng)進行攻擊，從而竊取敏感信息，甚至完全破壞整個系統(tǒng)。為了解決這個問題，一些研究人員提出了各種形式的安全計算框架，其中不乏利用硬件安全保障機制的方法。TEE是一種能夠為用戶提供高度安全保障機制的技術(shù)，由于其安全性和可擴展性，已經(jīng)成為了互聯(lián)網(wǎng)安全領(lǐng)域中備受關(guān)注的技術(shù)。

本文提出一種基于可信執(zhí)行環(huán)境的機密計算框架，該框架借助于TEE的安全保障機制，可以確保計算進程和敏感數(shù)據(jù)得到完全保護。我們在IntelSGX平臺上實現(xiàn)了一個框架原型系統(tǒng)，采取了多種安全性評估技術(shù)，并對系統(tǒng)的性能進行了評估。結(jié)果表明，我們提出的框架可以在安全威脅模型的前提下提供強大的安全保障，同時系統(tǒng)性能表現(xiàn)出了較高的效率。

本文的余下部分組織如下：第二部分簡要介紹與本文相關(guān)的研究工作；第三部分詳細說明可信執(zhí)行環(huán)境和我們提出的框架的設(shè)計原則；第四部分介紹實驗環(huán)境和方法，并對實驗結(jié)果進行詳細分析。最后，我們在第五部分對本文的相關(guān)內(nèi)容進行總結(jié)，并對未來工作進行了展望。

二、相關(guān)研究工作

目前，已經(jīng)有許多研究工作致力于解決保護敏感信息的問題。其中，基于硬件安全保障機制的計算框架具有非常廣闊的應(yīng)用前景，例如IntelSGX、ARMTrustZone等技術(shù)。然而，這些技術(shù)難以提供完全保障，其中的難點在于如何在不可信執(zhí)行環(huán)境中通過可信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸和計算。

隨著TEE技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究者開始關(guān)注如何利用TEE技術(shù)建立安全計算框架。其中，Wang等人提出了一種基于TEE的機密計算框架，可以保證計算任務(wù)的機密性和完整性。該框架依賴于TEE提供的隔離性和加密性，通過特定的協(xié)議進行通信和計算。該框架可以確保計算進程和敏感數(shù)據(jù)在TEE保障下進行，從而保證系統(tǒng)整體的安全性。

在本文的框架設(shè)計中，我們意識到，為了在可信_execution環(huán)境下建立安全計算框架，需要解決數(shù)據(jù)傳輸、身份認證、數(shù)據(jù)完整性驗證等方面的問題。我們通過結(jié)合現(xiàn)有的可信計算技術(shù)和安全通信協(xié)議，提出了一種基于TEE的機密計算框架，并在IntelSGX硬件平臺上進行了驗證和系統(tǒng)性能評估。

三、可信執(zhí)行環(huán)境和框架設(shè)計

3.1可信執(zhí)行環(huán)境

可信執(zhí)行環(huán)境是一種硬件和軟件組合的安全技術(shù)，可以為用戶提供安全隔離、加密計算和可信傳輸?shù)榷喾N安全保障機制。TEE的實現(xiàn)方式很多，主要由硬件平臺和安全軟件組成，例如最基礎(chǔ)的TEE實現(xiàn)方式是基于CPU提供的硬件安全擴展，例如IntelSGX、ARMTrust安全協(xié)議實現(xiàn)、TEE的標準實現(xiàn)等等。

無論采用什么實現(xiàn)方式，TEE必須在硬件和軟件的基礎(chǔ)上提供以下安全保護機制：

（1）可信執(zhí)行環(huán)境與普通執(zhí)行環(huán)境（NE）的隔離；

（2）敏感計算和數(shù)據(jù)的加密保護；

（3）可信認證機制，防止身份欺騙等攻擊；

（4）可信傳輸機制，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性。

3.2框架設(shè)計

在本文的框架設(shè)計中，主要結(jié)合了IntelSGX技術(shù)和安全通信協(xié)議。IntelSGX是一種最新的可信執(zhí)行環(huán)境，可以為用戶提供非常強大的隔離性和加密性保障。此外，我們還采用了TLS身份認證機制和消息完整性驗證機制，從而保證計算過程中的數(shù)據(jù)安全。該框架的設(shè)計原則如下：

-計算任務(wù)應(yīng)當在可信執(zhí)行環(huán)境中進行，以確保計算的安全性；

-敏感數(shù)據(jù)應(yīng)當加密傳輸，以保障傳輸過程的安全性；

-身份驗證和完整性驗證機制應(yīng)當被實現(xiàn)，以確保通信過程的安全性。

框架的工作流程如圖1所示：


在上述框架中，用戶通過一個安全通道向計算節(jié)點提出計算任務(wù)，計算節(jié)點在可信執(zhí)行環(huán)境中執(zhí)行計算程序，在運行過程中加密敏感數(shù)據(jù)，計算完成后將計算結(jié)果加密傳輸給用戶。其中所涉及到的安全保護機制均由TEE提供。

四、實驗環(huán)境和方法

在本文的實驗中，我們選擇了IntelSGX技術(shù)作為可信執(zhí)行環(huán)境，構(gòu)建了一個原型系統(tǒng)，包括用戶客戶端和計算節(jié)點。用戶客戶端通過TLS傳輸協(xié)議與計算節(jié)點建立安全通道，并向計算節(jié)點發(fā)出計算任務(wù)。計算節(jié)點在可信執(zhí)行環(huán)境下執(zhí)行計算程序，將計算結(jié)果通過TLS傳輸協(xié)議加密傳輸給用戶端。我們測試了框架中的加密傳輸機制、完整性驗證機制和可靠性保障機制等方面的性能。

我們使用了如下的實驗數(shù)據(jù)集：Netflix的電影評分數(shù)據(jù)集；UCLBreastCancer數(shù)據(jù)集等等。實驗結(jié)果表明，我們提出的機密計算框架可以很好地解決計算中的安全性問題，并且在保障安全性的前提下性能表現(xiàn)良好。與其他安全框架相比，我們提出的框架在安全性和性能方面均表現(xiàn)出了優(yōu)勢。

五、總結(jié)和展望

本文提出了一種基于可信執(zhí)行環(huán)境的機密計算框架，該框架可以為用戶提供強大的安全保障。我們在IntelSGX平臺上實現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)，并證明了我們提出的框架可以在保障安全性的前提下提供良好的性能表現(xiàn)。

雖然實驗結(jié)果表明我們的框架可以提供強大的安全保障，然而，我們?nèi)匀恍枰芯扛油陚涞陌踩{模型，并繼續(xù)研究如何進一步提升我們提出的機密計算框架的性能表現(xiàn)。我們希望在未來的研究中能夠繼續(xù)深入探討這個問題，以此為我們未來工作的重點。Asecureandefficientcomputationframeworkiscrucialforprotectingsensitivedataandensuringtheprivacyofusers.Inthispaper,weproposedanovelconfidentialcomputingframeworkbasedonatrustedexecutionenvironment.Ourframeworkaimstoprovidepowerfulsecurityprotectionwhilemaintainingefficientcomputationperformance.

Theproposedframeworkemploysthetrustedexecutionenvironmenttosecurelyexecutethecomputationtasks.TheuserclientestablishesasecurechannelwiththecomputingnodeviaTLStransmissionprotocolandsendsthecomputationtaskstothecomputingnode.ThecomputingnodeexecutesthecomputationprograminthetrustedexecutionenvironmentandsendstheencryptedcomputationresultsbacktotheuserclientviaTLStransmissionprotocol.Wetestedtheperformanceoftheencryptiontransmissionmechanism,integrityverificationmechanism,andreliabilityassurancemechanisminourframework.

Weusedvariousexperimentaldatasets,includingNetflixmovieratingsdatasetandUCLBreastCancerdataset,toevaluateourframework'sperformance.Theexperimentalresultsshowedthatourproposedconfidentialcomputingframeworkcouldeffectivelysolvesecurityproblemsincomputationtaskswhilemaintaininggoodperformance.Comparedwithothersecurityframeworks,ourproposedframeworkdemonstratedadvantagesinbothsecurityandperformance.

Inconclusion,weproposedatrustedexecutionenvironment-basedconfidentialcomputingframeworkthatprovidespowerfulsecurityprotectionforuserdata.WeimplementedaprototypesystemonIntelSGXplatformandprovedthatourproposedframeworkcanprovidegoodperformancewhileensuringsecurity.However,weneedtocontinueresearchingmorecomprehensivesecuritythreatmodelsandfurtherimprovingourframework'sperformance.Wehopetodelvedeeperintotheseissuesinfutureresearchasourmainfocus.Inadditiontotheareasmentionedabove,thereareseveralotheravenuesofresearchthatcanbepursuedtofurtherimproveourconfidentialcomputingframework.

Oneareawherewecanimproveisintheintegrationofourframeworkwithexistingcloudinfrastructure.WhileourprototypesystemwasimplementedontheIntelSGXplatform,weneedtoinvestigatehowourframeworkcanbeportedtootherplatformssuchasARMTrustZoneorAMDSEV.WealsoneedtoexplorehowourframeworkcanbeintegratedwithpopularcloudservicessuchasAmazonWebServices,MicrosoftAzure,orGoogleCloudPlatform.

Anotherareawherewecanenhanceourframeworkisinthedevelopmentofmoreeffectivethreatmodels.Whileweconsideredseveralattackscenariosinourprototypesystem,therearemanyotherpossibleattackvectorsthatneedtobetakenintoaccount.Someexamplesincludeside-channelattacks,softwareexploits,andmaliciousinsiders.Bystudyingthesethreatsinmoredetail,wecandevelopmorecomprehensivesecuritymechanismstoprotectuserdata.

Wealsoneedtoinvestigatehowourframeworkcanworktogetherwithothersecuritytechnologies.Forexample,wecouldexplorehowourframeworkcanbecombinedwithend-to-endencryptedcommunicationprotocolssuchasTLSorSignaltoprovideevenstrongersecurityguarantees.Furthermore,wecouldexaminehowourapproachcanbeintegratedwithothersecurityframeworkssuchassecureboot,TrustedPlatformModules(TPMs),orhardwaresecuritymodules(HSMs).

Finally,weneedtocontinueimprovingtheperformanceofourconfidentialcomputingframework.WhileourtestsontheIntelSGXplatformshowedgoodperformance,weneedtoconductmoreexperimentsonotherplatformsandwithlargerdatasets.Wealsoneedtooptimizeoursystem'sperformancebyreducingoverhead,improvingmemoryallocation,andenhancingschedulingmechanisms.

Inconclusion,confidentialcomputingisarapidlyevolvingfieldwithhugepotentialforimprovingdatasecurityinawiderangeofapplications.Ourproposedframeworkisanimportantsteptowardsachievingthisgoal,butthereisstillmuchworktobedone.Bycontinuingtoresearchmorecomprehensivethreatmodels,integratingourframeworkwithexistinginfrastructure,andimprovingitsperformance,wecancreateamoresecureandtrustworthycomputingenvironmentthatbetterprotectsuserdata.Oneareathatrequiresfurtherresearchinconfidentialcomputingisthedevelopmentofmorecomprehensivethreatmodels.Asattackersbecomemoresophisticated,itisimportanttounderstandandanticipatetheirtacticsinordertodefendagainstthemeffectively.Thisincludesnotonlytechnicalthreatssuchasmalwareandnetworkattacks,butalsonon-technicalthreatssuchassocialengineeringandinsiderattacks.

Integratingourproposedframeworkwithexistinginfrastructureisalsocrucialforitssuccess.Thisincludesensuringcompatibilitywithvariousoperatingsystems,hypervisors,andcloudplatforms.Inaddition,developingAPIsandtoolingtoenabledeveloperstoeasilyincorporateconfidentialcomputingcapabilitiesintotheirapplicationswillhelptopromotewideradoptionofthetechnology.

Performanceisanotherkeyareaforimprovementinconfidentialcomputing.Whileourframeworkaimstominimizetheoverheadassociatedwithsecurecomputation,thereisstillworktobedonetofurtherreducelatencyandimprovescalability.Thisincludesoptimizingtheuseofhardwareresourcessuchastrustedexecutionenvironments(TEEs)andhardwaresecuritymodules(HSMs).

Inadditiontothesetechnicalchallenges,therearealsolegalandregulatoryconsiderationsthatmustbeaddressedinordertopromotetheadoptionofconfidentialcomputing.Theseincludeissuessuchasdataownership,liability,andprivacy.Developingstandardizedindustrypracticesandguidelinescanhelptoaddresstheseconcernsandpromoteamoresecureandtrustworthycomputingenvironment.

Overall,confidentialcomputinghasthepotentialtotransformthewaywehandlesensitivedataandimprovethesecurityofawiderangeofapplications.Bycontinuingtoresearchanddevelopnewtechnologiesandframeworks,wecancreateamoresecureandtrustworthycomputingenvironmentthatbetterprotectsuserdata.Furthermore,confidentialcomputingcanalsoplayasignificantroleinprotectingintellectualpropertyandreducingtheriskofinsiderthreatswithinorganizations.Manybusinesseshavevaluabletradesecrets,sensitiveinformation,andproprietarydatathattheyneedtokeepsecure.However,traditionalsecuritymeasuressuchasfirewalls,accesscontrols,andencryptioncan'talwayspreventinsiderthreats.Inmanycases,employeesorcontractorswithauthorizedaccesstosensitivedatamayhavemaliciousintentoraccidentallyleakinformation.

Confidentialcomputingcanmitigatethisriskbyallowingcompaniestoprocessandanalyzesensitivedatawithinasecureenclavethatcanonlybeaccessedbyauthorizedusers.Enclavescanalsoprovidebuilt-insecuritymeasuressuchasattestation,wheretheenclavecanverifyitsidentityandensurethatnotamperinghasoccurred.

Inaddition,confidentialcomputingcanhelptoreducedatabreachesandtheirassociatedcosts.Accordingtoa2020studybyIBM,theaveragecostofadatabreachintheUnitedStateswas$8.64million,withanaveragecostof$242perrecord.Byusingconfidentialcomputingtoprotectsensitivedata,companiescanreducetheriskofdatabreachesandavoidtheresultingfinancialandreputationaldamages.

However,therearesomechallengestoimplementingconfidentialcomputingonalargescale.Oneofthebiggestchallengesisensuringthatthetechnologyisinteroperablewithdifferentplatformsandsystems.Forexample,aconfidentialcomputingsolutionthatworksforonecloudprovidermaynotworkforanother.Standardizationeffortscanhelptoaddressthischallengebydevelopingopenandinteroperablesolutions.

Anotherchallengeisensuringthatconfidentialcomputingsolutionsareuser-friendlyandaccessibletoorganizationswithlimitedresources.Thiscouldincludeprovidingcleardocumentationanduserguides,offeringtrainingandsupport,andmakingthetechnologyaffordableandeasytoimplement.

Inconclusion,confidentialcomputinghasthepotentialtotransformthewaywehandlesensitivedataandimprovethesecurityofawiderangeofapplications.Whiletherearechallengestoimplementingthistechnologyonalargescale,ongoingresearchandstandardizationeffortscanhelptoaddressthesechallengesandpromoteamoresecureandtrustworthycomputingenvironment.Astheamountofsensitivedatawegeneratecontinuestogrow,itisessentialtoprioritizesecurityandprivacytoprotectourselvesandourorganizationsfromcyberthreats.Additionally,itiscrucialforindividualsandorganizationstobeawareofthepotentialrisksposedbycyberthreatsandtakeproactivemeasurestoprotectthemselves.Thisinvolvesimplementingsecuritymeasuressuchasantivirussoftware,firewalls,andencryption,aswellasregularlybackingupdataandsecurelydisposingofanyinformationthatisnolongerneeded.

Itisalsoimportanttoeducateemployeesandusersonbestpracticesfordatasecurity,suchascreatingstrongpasswords,avoidingphishingscams,andbeingcautiouswhenaccessingsensitiveinformationonpublicnetworks.Bytakingaproactiveapproachtocybersecurity,wecanhelptomitigatetherisksofdatabreachesandprotectourselvesandourorganizationsfrompotentiallydevastatingconsequences.

Overall,thedevelopmentofsecurecomputingtechnologiesandtheimplementationofeffectivecybersecuritymeasuresareessentialintoday'sincreasinglydigitalworld.Byprioritizingsecurityandprivacyandremainingvigilantagainstcyberthreats,wecancreateamoretrustworthyandsecuretechnologyenvironmentforeveryone.Withongoingresearchandcollaboration,wecancontinuetoimproveourtechnologyandstayaheadofemergingthreats,ensuringthatoursensitivedataremainsprotectednowandinthefuture.Moreover,cybersecurityisnotjustaconcernforindividuals,butfororganizationsaswell.Inrecentyears,wehaveseennumeroushigh-profilecyberattacksonbusinessesandpublicinstitutions,compromisingthepersonalandfinancialinformationofmillions.Theseattacksnotonlyresultinsignificantfinanciallossesbutcanalsodamagereputationsanderodepublictrust.

Tocombatcyberthreats,organizationsmustprioritizecybersecurityandinvestinrobuststrategiesandtechnologiestoprotecttheirdataandnetworks.Thisincludesregularupdatesandmaintenanceofsoftwareandhardware,implementingmulti-factorauthentication,encryptingsensitivedata,andprovidingongoingtrainingandeducationoncybersecu