Modelos de gerenciamento de enclaves para execução segura de componentes de software

Abstract

Resumo: A confidencialidade dos dados está se mostrando cada vez mais importante para os usuários de computadores, seja em um ambiente corporativo ou até mesmo em um ambiente doméstico. Atualmente, não somente dados sensíveis às empresas estão trafegando pela rede ou sendo manipulados pelos mais diversos programas de computador, mas também tem-se um intenso uso de aplicações para transações bancárias e outras aplicações de uso corriqueiro que manipulam dados sensíveis dos usuários, os quais devem ter sua confidencialidade e integridade garantidas. Nesse sentido, tem-se variadas soluções sendo propostas para manter a confidencialidade e integridade dos dados, dentre elas a arquitetura Intel SGX (Software Guard Extensions), a qual possui mecanismos para que as aplicações e os dados sejam encapsulados em uma área protegida da memória com acesso restrito, impossibilitando o acesso nessa região de memória a outras aplicações ou ao próprio sistema operacional. A utilização de tais mecanismos para prover a confidencialidade e integridade dos dados sensíveis da aplicação acarreta em um impacto de desempenho durante a sua execução, devido às restrições e verificações impostas pela arquitetura Intel SGX. O presente trabalho busca analisar os modelos de programação que são aplicados em soluções que utilizam a arquitetura Intel SGX e apresentar alternativas que buscam um uso mais eficiente dos recursos providos por tal arquitetura e também a redução do impacto de desempenho decorrente de sua utilização. Assim, são apresentados dois modelos de gerenciamento: (i) compartilhamento de enclaves; e (ii) pool de enclaves. Para a aplicação de tais modelos, é proposta uma arquitetura de um provedor de enclaves, que oferece um desacoplamento entre o enclave e a aplicação que o utiliza, permitindo aplicar os modelos de gerenciamento propostos e oferecer os recursos providos pelos enclaves às aplicações na forma de serviços. Um protótipo é construído para avaliar a arquitetura e modelos propostos, com os testes de desempenho demonstrando consideráveis reduções no impacto para requisição de enclaves, enquanto garante boa resposta para atender múltiplas requisições simultâneas. Assim, conclui-se que a utilização de modelos arquiteturais de software podem trazer benefícios no gerenciamento de recursos e ganho de desempenho na execução de aplicações seguras. Palavras-chave: Intel SGX, modelos de programação, arquitetura de software, padrões de projeto, desempenho, otimização de recursos.

Abstract: Data confidentiality is becoming increasingly important to computer users, whether in a corporate environment or even in a home environment. Not only are business-sensitive data currently being trafficked across the network or being handled by a variety of software, but there is also an intense use of applications for banking transactions and other commonly used applications that manipulate sensitive user data, which must have their confidentiality and integrity guaranteed. In this sense, there are several solutions being proposed to maintain the confidentiality and integrity of the data, among them the Intel SGX (Software Guard Extensions) architecture, which has mechanisms to encapsulate applications and data in a protected area of memory having restricted access, making it impossible to access this region of memory to other applications or to the operating system. The use of such mechanisms to provide the confidentiality and integrity of sensitive data results in a performance impact during the application execution, due to the restrictions and verifications imposed by the Intel SGX architecture. The present work aims to analyze the programming models that are applied in solutions that use the Intel SGX architecture and present alternatives that seek a more efficient use of the resources provided by this architecture and also the reduction of the performance impact due to its use. Thus, two management models are presented: (i) enclave sharing; and (ii) enclave pool. In order to apply such models, an architecture of an enclave provider is proposed, which offers a decoupling between the enclave and the application that uses it, allowing to apply the proposed management models and offering the resources provided by the enclaves to the applications in "as a service" format. A prototype is built to evaluate the proposed architecture and models, with the performance tests demonstrating considerable reductions in the impact for enclave requests, while guaranteeing good response to attend simultaneous requests. Thus, it is concluded that the use of architectural software models can bring benefits in resource management and performance gains in the execution of secure applications. Keywords: Intel SGX, programming models, software architecture, design patterns, performance, resource optimization.