Author: Shixuan Zhao, Mengyuan Li, Yinqian Zhang, Zhiqiang Lin
Conference: S&P 2022
Paper Link: https://www.computer.org/csdl/proceedings-article/sp/2022/131600a687/1A4Q3q3W28E
Note Link: https://jbox.sjtu.edu.cn/l/01EAPB
Contributor: pdh
Overview
现如今对可信执行环境的需求加速了可信硬件的发展，然而在不同架构下有着不同的可信硬件的实现方式，导致开发者在开发时还要针对架构进行不同程度的开发，兼容性很差。本文提供了vSGX，用于在AMD SEV的环境下虚拟一个SGX enclave，使得AMD架构能够兼容SGX的代码。其问题的关键在于SGX代码有一些额外的指令集（ENCLS和ENCLU），需要在AMD平台下对这些指令进行模拟，并且利用SEV虚拟机创建一个类似于SGX的地址空间和内存执行环境。具体来说，vSGX可以被视作一个被插入到SEV虚拟机中的SGX硬件模块，其核心思路就是利用SEV提供的虚拟机保护机制创建一个可信执行环境，用来移植SGX。这样，SGX enclave的代码和数据的机密性由AMD的内存加密引擎（Memory Encryption Engine, MEE）来保证，完整性由基于AMD SEV的远程认证设计出的认证服务来保证。移植了SGX enclave的虚拟机被称为enclave VM (EVM)，而运行不可信app的虚拟机则被称为app VM (AVM)。因此，通过本文的设计，vSGX在AMD平台下达到了和Intel SGX相似的安全性，并且有着合理的额外开销。
虽然这个在AMD架构上虚拟化SGX的想法非常直观，但是完成这个想法需要面对几个不平凡的挑战：
- 如何在AMD SEV中插入SGX的指令；
- 如何处理那些需要跨越EVM和AVM的操作（例如EENTER和EEXIT）；
- 如何处理跨EVM和AVM的内存访问；
- 如何处理AVM的OS中存在的不可信的代码，甚至是恶意的hypervisor；
- 如何去实现远程认证。
本文分析了vSGX的安全性，并且讨论了本文的设计是如何达到和原生SGX可比较的安全级别。同时，本文对vSGX的运行性能进行了评估，运行了一个benchmark集合以及现实世界中真实的SGX应用。结果显示一些SGX的指令确实会显著降低vSGX的运行性能（例如EENTER和EEXIT），但是这些只有那些拥有很多ECall和I/O操作的程序中才会显示出来。本文通过对真实世界SGX应用进行评估的结果显示，vSGX的额外性能开销是可以接受的。