Первая часть в серии учебных материалов по Intel Software Guard Extensions (Intel SGX) представляет собой краткое описание этой технологии. Дополнительные сведения см. в документации в составе Intel Software Guard Extensions SDK. Список всех учебных материалов в этой серии см. в статье Представляем серию учебных материалов, посвященных Intel Software Guard Extensions.
Программным приложениям зачастую приходится работать с конфиденциальной информацией, например с паролями, номерами счетов, финансовыми данными, ключами шифрования, медицинскими данными. Доступ к этим данным должен быть только у полномочных получателей. В терминологии Intel SGX такая конфиденциальная информация называется «секретом приложения».
Задача операционной системы состоит в применении политики безопасности в компьютере, чтобы эти секреты не были непреднамеренно раскрыты другим пользователям или приложениям. Операционная система не даст пользователю получить доступ к файлам другого пользователя (без предоставленного явным образом разрешения); не даст одному приложению получить доступ к памяти другого приложения; не даст пользователю без необходимых прав получить доступ к ресурсам ОС, исключая строго контролируемые ресурсы. В приложениях часто используются дополнительные защитные меры, например шифрование данных, чтобы исключить доступ третьими сторонами к данным, пересылаемым в хранилище или по сетевому подключению, даже если злоумышленникам удалось получить доступ к ОС и к оборудованию.
Несмотря на все эти защитные меры, в большинстве компьютерных систем все равно остаются уязвимые места. Разнообразные механизмы защищают одно приложение от другого и защищают ОС от пользователя, не имеющего разрешений, но приложения обычно практически никак не защищены от процессов, выполняющихся с более высоким уровнем прав, включая саму ОС. Вредоносные программы, обладающие правами администратора, имеют неограниченный доступ ко всем системным ресурсам и ко всем приложениям, запущенным в системе. Усовершенствованные вредоносные программы могут атаковать защитные механизмы приложения, чтобы извлечь ключи шифрования и даже секретные данные непосредственно из памяти.
Корпорация Intel разработала расширения Intel SGX для высокоуровневой защиты секретов и для защиты от таких программных атак. Intel SGX — это набор инструкций ЦП, дающих возможность приложениям создавать анклавы: защищенные области в адресном пространстве приложения, обеспечивающие конфиденциальность и целостность даже при наличии вредоносных программ с расширенными правами. Код анклавов поддерживается особыми инструкциями, он компилируется и загружается в виде файла библиотеки динамической компоновки Windows * (DLL).
Расширения Intel SGX позволяют снизить уязвимость приложений. На рис. 1 показана значительная разница между потенциальными областями атаки при наличии и при отсутствии анклавов Intel SGX.
Рисунок 1. Области атаки с анклавами и без анклавов Intel Software Guard Extensions
Intel SGX обеспечивает следующую защиту от атак, нацеленных на оборудование и программ.
Размер защищенной области памяти строго ограничен и задан BIOS системы. Обычно это 64 МБ или 128 МБ. Некоторые производители систем предоставляют возможность настраивать это значение в BIOS. В зависимости от размера каждого анклава в памяти одновременно может быть создано от 5 до 20 анклавов.
Рисунок 2. Защита данных в анклавах Intel Software Guard Extensions в защищенных приложениях
Для использования Intel SGX приложение должно быть разделено на два компонента (см. рис. 3).
Доверенный компонент должен быть как можно меньше, в нем должны быть лишь те данные, которые нуждаются в наиболее надежной защите, и операции, работающие непосредственно с этими данными. Крупный анклав со сложным интефейсом не только потребляет больше защищенной памяти, но и повышает уязвимость.
В анклавах также следует свести к минимуму взаимодействие между доверенными и недоверенными компонентами. Анклавы могут выходить за пределы защищенной области памяти и вызывать функции в недоверенном компоненте (с помощью особых инструкций), но рекомендуется ограничивать такие зависимости, чтобы обеспечить более надежную защиту анклава от атак.
Рисунок 3. Выполнение приложения Intel Software Guard Extensions
В архитектуре SGX аттестация — это подтверждение создания определенного анклава на платформе. Существует два механизма аттестации.
Локальная аттестация полезна, когда у приложений есть несколько анклавов, которые должны работать вместе для выполнения какой либо задачи, или когда два отдельных приложения должны обмениваться данными между анклавами. Каждый из анклавов должен проверить другой анклав, чтобы убедиться в его надежности. После этого анклавы устанавливают защищенный сеанс и используют обмен ключами ECDH, чтобы совместно использовать ключ сеанса. Этот ключ сеанса можно использовать, чтобы шифровать данные, которые должны быть общими для обоих анклавов.
Один анклав не может получить доступ к защищенному пространству памяти другого анклава, даже если оба анклава созданы одним и тем же приложением, поэтому необходимо убрать из всех указателей ссылки на их значения и скопировать; полный набор данных должен быть передан из одного анклава в другой.
При удаленной аттестации программные расширения Intel SGX и оборудование платформы формируют предложение, которое передаются на сторонний сервер для установления доверия. Программное обеспечение включает анклав приложения, а также компонент Quoting Enclave (QE) и Provisioning Enclave (PvE), предоставляемые корпорацией Intel. Оборудование для аттестации — ЦП, поддерживающий Intel SGX. Сводка программной информации в сочетании с уникальным для платформы асимметричным ключом оборудования используются для формирования предложения, которое передается на удаленный сервер по проверенному каналу. Если удаленный сервер определяет, что экземпляр анклава был создан правильно и запущен на процессоре, поддерживающем Intel SGX, то сервер устанавливает доверительные отношения и передает секреты по проверенному каналу.
Запечатывание данных — это шифрование данных, чтобы можно было записывать их в недоверенную память или хранилище, не раскрывая содержимое. Эта данные могут быть позже прочитаны анклавом и распечатаны (расшифрованы). Ключи шифрования создаются внутри по запросу и не раскрываются для анклава.
Существует два способа запечатывания данных.
При запечатывании с удостоверением анклава ключ является уникальным для конкретного анклава, запечатавшего данные. При любых изменениях анклава, влияющих на его подпись, будет создан новый ключ. При использовании этого метода данные, запечатанные одной версией анклава, будут недоступны для другой версии этого же анклава. Побочный эффект этого метода состоит в том, что запечатанные данные невозможно перенести в новые версии приложения и его анклава. Такой подход предназначен для предложений, в которых старые запечатанные данные не должны использоваться новыми версиями приложения.
При запечатывании с удостоверением запечатывания несколько анклавов из одного и того же центра могут запечатывать и распечатывать данные друг друга. Это позволяет переносить данные из одной версии анклава в другую или совместно использовать данные несколькими приложениями одного и того же поставщика.
Если нужно запретить доступ старых версий ПО и анклава к данным, запечатанным в новых версиях приложения, можно использовать номер версии ПО при подписании анклава. Версии анклава, более старые по сравнению с указанным номером версии ПО, не смогут образовать ключ, поэтому не смогут распечатать данные.
Мы рассмотрели три важнейших компонента Intel SGX: анклавы, аттестацию и запечатывание. В этом учебном руководстве мы сосредоточимся на реализации анклавов, поскольку это основа Intel SGX. Невозможно провести аттестацию или запечатывание, не создав анклав. Кроме того, это позволит ограничить размер учебного руководства.
Во второй части серии учебных материалов Расширения Intel Software Guard Extensions: часть 2, создание приложений мы рассмотрим диспетчер паролей, который будет создан с поддержкой Intel SGX. Мы опишем требования к созданию этого приложения, ограничения и пользовательский интерфейс. Следите за новостями.
Список всех учебных материалов в этой серии см. в статье Представляем серию учебных материалов, посвященных Intel Software Guard Extensions.
Технология Intel Software Guard Extensions
Программным приложениям зачастую приходится работать с конфиденциальной информацией, например с паролями, номерами счетов, финансовыми данными, ключами шифрования, медицинскими данными. Доступ к этим данным должен быть только у полномочных получателей. В терминологии Intel SGX такая конфиденциальная информация называется «секретом приложения».
Задача операционной системы состоит в применении политики безопасности в компьютере, чтобы эти секреты не были непреднамеренно раскрыты другим пользователям или приложениям. Операционная система не даст пользователю получить доступ к файлам другого пользователя (без предоставленного явным образом разрешения); не даст одному приложению получить доступ к памяти другого приложения; не даст пользователю без необходимых прав получить доступ к ресурсам ОС, исключая строго контролируемые ресурсы. В приложениях часто используются дополнительные защитные меры, например шифрование данных, чтобы исключить доступ третьими сторонами к данным, пересылаемым в хранилище или по сетевому подключению, даже если злоумышленникам удалось получить доступ к ОС и к оборудованию.
Несмотря на все эти защитные меры, в большинстве компьютерных систем все равно остаются уязвимые места. Разнообразные механизмы защищают одно приложение от другого и защищают ОС от пользователя, не имеющего разрешений, но приложения обычно практически никак не защищены от процессов, выполняющихся с более высоким уровнем прав, включая саму ОС. Вредоносные программы, обладающие правами администратора, имеют неограниченный доступ ко всем системным ресурсам и ко всем приложениям, запущенным в системе. Усовершенствованные вредоносные программы могут атаковать защитные механизмы приложения, чтобы извлечь ключи шифрования и даже секретные данные непосредственно из памяти.
Корпорация Intel разработала расширения Intel SGX для высокоуровневой защиты секретов и для защиты от таких программных атак. Intel SGX — это набор инструкций ЦП, дающих возможность приложениям создавать анклавы: защищенные области в адресном пространстве приложения, обеспечивающие конфиденциальность и целостность даже при наличии вредоносных программ с расширенными правами. Код анклавов поддерживается особыми инструкциями, он компилируется и загружается в виде файла библиотеки динамической компоновки Windows * (DLL).
Расширения Intel SGX позволяют снизить уязвимость приложений. На рис. 1 показана значительная разница между потенциальными областями атаки при наличии и при отсутствии анклавов Intel SGX.
Рисунок 1. Области атаки с анклавами и без анклавов Intel Software Guard Extensions
Как технология расширений Intel Software Guard Extensions помогает защищать данные
Intel SGX обеспечивает следующую защиту от атак, нацеленных на оборудование и программ.
- Доступ к памяти анклава на чтение и запись извне анклава отсутствует вне зависимости от текущего уровня прав и режима работы ЦП.
- Анклавы рабочего уровня недоступны для отладки как программными, так и аппаратными отладчиками. (Можно создать анклав с атрибутом отладки, при наличии которого отладчик Intel SGX может просматривать содержимое анклава аналогично стандартному отладчику. Это сделано, чтобы повысить удобство процесса разработки программного обеспечения.)
- В среду анклава невозможно войти с помощью классических вызовов функций, переходов, манипуляций с регистрами или со стеком. Единственный способ вызвать функцию анклава — с помощью новой инструкции, выполняющей несколько защитных проверок.
- Память анклава защищена с помощью стандартных алгоритмов шифрования с защитой от воспроизведения. Если прочесть память или подключить модули оперативной памяти к другой системе, удастся получить только зашифрованные данные (см. рис. 2).
- Ключ шифрования памяти изменяется случайным образом при каждом изменении цикла электропитания (например, при загрузке, при возобновлении работы после сна и гибернации). Ключ хранится внутри ЦП и недоступен извне.
- Данные изолированы в анклавах и доступны только для кода данного анклава.
Размер защищенной области памяти строго ограничен и задан BIOS системы. Обычно это 64 МБ или 128 МБ. Некоторые производители систем предоставляют возможность настраивать это значение в BIOS. В зависимости от размера каждого анклава в памяти одновременно может быть создано от 5 до 20 анклавов.
Рисунок 2. Защита данных в анклавах Intel Software Guard Extensions в защищенных приложениях
Как это устроено
Для использования Intel SGX приложение должно быть разделено на два компонента (см. рис. 3).
- Доверенный компонент. Это анклав. Код в доверенном компоненте получает доступ к секретам приложения. У одного приложения может быть несколько доверенных компонентов/анклавов.
- Недоверенный компонент. Это остальная часть приложения, любые его модули. Следует отметить, что с точки зрения анклава и ОС, и VMM считаются недоверенными компонентами.
Доверенный компонент должен быть как можно меньше, в нем должны быть лишь те данные, которые нуждаются в наиболее надежной защите, и операции, работающие непосредственно с этими данными. Крупный анклав со сложным интефейсом не только потребляет больше защищенной памяти, но и повышает уязвимость.
В анклавах также следует свести к минимуму взаимодействие между доверенными и недоверенными компонентами. Анклавы могут выходить за пределы защищенной области памяти и вызывать функции в недоверенном компоненте (с помощью особых инструкций), но рекомендуется ограничивать такие зависимости, чтобы обеспечить более надежную защиту анклава от атак.
Рисунок 3. Выполнение приложения Intel Software Guard Extensions
Аттестация
В архитектуре SGX аттестация — это подтверждение создания определенного анклава на платформе. Существует два механизма аттестации.
- Локальная аттестация происходит, когда два анклава, находящиеся на одной и той же платформе, выполняют взаимную проверку подлинности.
- Удаленная аттестация происходит, когда доверенность анклава проверяется удаленным поставщиком.
Локальная аттестация
Локальная аттестация полезна, когда у приложений есть несколько анклавов, которые должны работать вместе для выполнения какой либо задачи, или когда два отдельных приложения должны обмениваться данными между анклавами. Каждый из анклавов должен проверить другой анклав, чтобы убедиться в его надежности. После этого анклавы устанавливают защищенный сеанс и используют обмен ключами ECDH, чтобы совместно использовать ключ сеанса. Этот ключ сеанса можно использовать, чтобы шифровать данные, которые должны быть общими для обоих анклавов.
Один анклав не может получить доступ к защищенному пространству памяти другого анклава, даже если оба анклава созданы одним и тем же приложением, поэтому необходимо убрать из всех указателей ссылки на их значения и скопировать; полный набор данных должен быть передан из одного анклава в другой.
Удаленная аттестация
При удаленной аттестации программные расширения Intel SGX и оборудование платформы формируют предложение, которое передаются на сторонний сервер для установления доверия. Программное обеспечение включает анклав приложения, а также компонент Quoting Enclave (QE) и Provisioning Enclave (PvE), предоставляемые корпорацией Intel. Оборудование для аттестации — ЦП, поддерживающий Intel SGX. Сводка программной информации в сочетании с уникальным для платформы асимметричным ключом оборудования используются для формирования предложения, которое передается на удаленный сервер по проверенному каналу. Если удаленный сервер определяет, что экземпляр анклава был создан правильно и запущен на процессоре, поддерживающем Intel SGX, то сервер устанавливает доверительные отношения и передает секреты по проверенному каналу.
Запечатывание данных
Запечатывание данных — это шифрование данных, чтобы можно было записывать их в недоверенную память или хранилище, не раскрывая содержимое. Эта данные могут быть позже прочитаны анклавом и распечатаны (расшифрованы). Ключи шифрования создаются внутри по запросу и не раскрываются для анклава.
Существует два способа запечатывания данных.
- Удостоверение анклава. Этот метод создает ключ, уникальный именно для данного анклава.
- Удостоверение запечатывания. Этот метод создает ключ на основе удостоверения центра запечатывания анклава. Несколько анклавов одного и того же заверителя подписи могут образовать один и тот же ключ.
Запечатывание с удостоверением анклава
При запечатывании с удостоверением анклава ключ является уникальным для конкретного анклава, запечатавшего данные. При любых изменениях анклава, влияющих на его подпись, будет создан новый ключ. При использовании этого метода данные, запечатанные одной версией анклава, будут недоступны для другой версии этого же анклава. Побочный эффект этого метода состоит в том, что запечатанные данные невозможно перенести в новые версии приложения и его анклава. Такой подход предназначен для предложений, в которых старые запечатанные данные не должны использоваться новыми версиями приложения.
Запечатывание с удостоверением запечатывания
При запечатывании с удостоверением запечатывания несколько анклавов из одного и того же центра могут запечатывать и распечатывать данные друг друга. Это позволяет переносить данные из одной версии анклава в другую или совместно использовать данные несколькими приложениями одного и того же поставщика.
Если нужно запретить доступ старых версий ПО и анклава к данным, запечатанным в новых версиях приложения, можно использовать номер версии ПО при подписании анклава. Версии анклава, более старые по сравнению с указанным номером версии ПО, не смогут образовать ключ, поэтому не смогут распечатать данные.
Как мы будем использовать технологию Intel Software Guard Extensions в учебном руководстве
Мы рассмотрели три важнейших компонента Intel SGX: анклавы, аттестацию и запечатывание. В этом учебном руководстве мы сосредоточимся на реализации анклавов, поскольку это основа Intel SGX. Невозможно провести аттестацию или запечатывание, не создав анклав. Кроме того, это позволит ограничить размер учебного руководства.
В дальнейших выпусках
Во второй части серии учебных материалов Расширения Intel Software Guard Extensions: часть 2, создание приложений мы рассмотрим диспетчер паролей, который будет создан с поддержкой Intel SGX. Мы опишем требования к созданию этого приложения, ограничения и пользовательский интерфейс. Следите за новостями.
Список всех учебных материалов в этой серии см. в статье Представляем серию учебных материалов, посвященных Intel Software Guard Extensions.
