SecureCells: A Secure Compartmentalized Architecture

SecureCells: A Secure Compartmentalized Architecture
Author	Atri Bhattacharyya, Florian Hofhammer, Yuanlong Li, Siddharth Gupta, Andres Sanchez, Babak Falsafi, Mathias Payer
Conference	IEEE Symposium on Security and Privacy (SP)
Year	2023

개요

SecureCell은 Protection domain에 관련된 연구로, 하드웨어-소프트웨어 Co-desig을 통한 Per-Virtual Memory Area Permissions을 가능하게 하여, 효율적인 User space process isolation이 가능하게 한 논문이다.

Motivation & Importance

Protection domain은 다음 3개의 Trade-off가 있다.

Security, Flexibility, and Performance

이 3개의 토끼를 한번에 잡을 수 있는 디자인을 만들어 내는 것이 이 논문의 Motivation이다.

Main Idea

본 논문은 다음과 같은 목표를 가지고 있다.

• Security objectives
  • Access control: 접근 가능한 영역 분리
  • Validity checks: Protection domain변경에 대한 권한 확인
  • Context isolation: Protection domain사이의 Context (즉 RIP, STACK과 같은 실행 유닛)분리
  • Write safety: Read-only만 있는 경우 Write할 수 없어야 함
  • Temporary exclusive access: 동시에 접근하는 경우 Atomic해야 함
  • Auditability: 접근 가능한 며모리 영역일 경우 접근할 수 있도록 해야 함
• Performance objectives
  • Single-cycle access verification: 명령어 하나로 Context를 Switching해야 함
  • CXross-compartment calls: Cross domain call을 지원하여 Optimization된 성능을 제공해야 함
  • Fast, zero-copy permission transfer: Copying없이 빠르게 Permission을 변경할 수 있어야 함
• Flexibility
  • Arbitrary sharing of data regions: 자유로운 Access permission설정이 가능해야 함
  • Security proportionality: 특정 조건에서는, 혹은 Protection이 필요없는 도메인 사이에서는, 오버헤드를 아예 없애기 위해서 Verification을 사용하는 방식등을 통해서 아예 Overhead를 없앨 수 있으면 좋음

이를 위해서 다음과 같은 디자인을 제시하였다.

1. TCB-maintained VMA scale access control
2. Unprivileged instructions implementing securely-bounded compartmentalization primitives
3. Software implementing call gates, call stacks, and context isolation

Design

Conclusion

SecureCells는 하드웨어–소프트웨어 공동 설계(Hardware–Software Co-design)를 통해 Security, Performance, Flexibility라는 세 가지 Protection domain challenge를 해결하였다. 이 세 가지 특성 간의 트레이드오프는 매우 중요한 주제로, 후속 논문을 작성할 때 참고할 만한 가치가 있다. 그러나 SecureCells는 특정 Customized 하드웨어와 Special instruction에 의존한다는 점에서 중대한 한계점을 가진다. 따라서 이러한 의존성을 해소할 수 있는 새로운 접근 방안이나 대안적 설계가 제안된다면 의미 있는 발전이 될 것이다.