TwinVisor论文报告

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  1. TwinVisor: Hardware-isolated Confifidential VirtualMachines for ARM
    1. 基本概念
    2. 问题的背景
    3. 问题的提出
    4. 设计目标
    5. 挑战
    6. 解决方案
    7. 实现
    8. 性能评估
    9. 评价
    10. 参考博客

TwinVisor: Hardware-isolated Confifidential VirtualMachines for ARM

Dingji Li, Zeyu Mi, Yubin Xia, Binyu Zang, Haibo Chen, Haibing Guan

SOSP ’21, October 26–29, 2021, Virtual Event, Germany

© 2021 Association for Computing Machinery.

ACM ISBN 978-1-4503-8709-5/21/10. . . $15.00

https://doi.org/10.1145/3477132.3483554

Keywords: Cloud Computing, Virtualization, Confifidential Computing, ARM TrustZone

论文报告作者：张辰琦

本篇报告在开头提炼和明确了论文中的几个核心概念，下面首先介绍了问题的研究背景(research background)，借此提出了本文研究的主要问题(research problem)。随后，介绍了作者实现目标(research gap)与遇到的困难挑战(research challenges)，针对这些挑战，讲解了作者一系列的解决方案(methods)。之后介绍了作者的实现(implement)和对实现原型的性能评估(evaluation)，最后，我对这篇文章做出一些评价(comment)。

基本概念

Confidential computing：机密计算

它利用硬件来提供可验证的隔离执行环境

Confidential VM：机密虚拟机 = secure VM = S-VM

它为对云提供商的云租户提供了一个孤立的执行环境

TEE（Trusted Execution Environment）可信执行环境

它是一种环境，其中执行的代码和访问的数据在机密性（没有人可以访问数据）和完整性（没有人可以更改代码及其行为）方面被隔离和保护

TrustZone

ARM公司在2003年提出来的一种成熟的硬件扩展，用来在移动平台上提供TEE。

他能够将服务器划分为两个世界，normal world （常规世界） a secure world（安全世界）

Fig1. TrustZone架构，其将处理器分划为安全世界和常规世界，包含3层：EL0 是应用层，EL1是内核层，EL2（如果有）是虚拟机管理程序层。

N-visor

TwinVisor重用常规世界内的已经存在的系统管理程序

S-visor

TwinVisor在安全世界创建的新的小型的系统管理程序

Trusted computing base

计算机系统的可信计算基础(TCB)是对其安全性至关重要的所有硬件、固件和/或软件组件的集合，在这种意义上，发生在TCB内部的bug或漏洞可能会危及整个系统的安全属性。相比之下，TCB之外的计算机系统的某些部分必须不能有不正常的行为，泄露超出根据安全策略授予它们的任何特权。

精心设计和实现系统的可信计算基础对系统的整体安全性至关重要。现代操作系统努力减少TCB(未在主体中验证)的大小，以便对其代码库进行彻底的检查(通过手动或计算机辅助的软件审计或程序验证)变得可行。

问题的背景

随着云计算的兴起，用户对数据安全性的要求也越来越高，所以机密计算也随之受关注，因为它能利用硬件提供隔离执行环境从而保护敏感的数据。机密计算有三个级别：应用级、容器级、虚拟机级，其中虚拟机级的机密计算由于与Iaas云的兼容性等众多优点被关注更多。

目前，各大云供应商都提供了机密虚拟机服务，比如谷歌云、IBM云等，ARM的用户也很关注ARM服务器什么时候才会提供机密虚拟机服务。虽然ARM最近宣布了一个ARMv9的扩展CCA能支持机密虚拟机，但是根据他们的路线图，ARM硬件在一两年内还不能用机密虚拟机，此外，目前还不清楚如何设计和实现建立在CCA上的系统。

但是，ARM有一个成熟的的硬件扩展TrustZone，它能够把服务器划分为两个独立的世界：常规世界和安全世界（a normal world and a secure world），因此TrustZone在移动平台上被广泛用来提供可信执行环境TEE。此外，TrustZone最近引入了具有安全EL2扩展的硬件虚拟化，能够支持在安全世界内高效运行虚拟机。

问题的提出

我们的一个关键问题是：是否有可能通过新的软件设计，来改造成熟的硬件特性，从而让ARM服务器能够支持机密虚拟机服务？

本文中，作者提出的TwinVisor，这是第一个能为ARM服务器提供硬件隔离的机密虚拟机的系统，它包括N-visor和S-Visor。

N-visor是TwinVisor重用的常规世界内的已有的管理程序，作用是管理硬件资源并为安全虚拟机和常规虚拟机（S-VM和N-VM）提供服务；S-visor是TwinVisor在安全世界中创建的很多小的管理程序，它被专门用来保护安全虚拟机（S-VMs)。

设计目标

TwinVisor在不扩大TCB的情况下，能让安全世界对常规世界的软件开放。

具体的目标有三个：

G1 安全性：安全虚拟机不能被不可信软件非法访问，TCB要小

G2 高效性：有没有TwinVisor对安全虚拟机的执行效率来说应该差不多

G3 最小改变：TwinVisor应该引入最小的改变

核心架构：

Fig2. TwinVisor 核心架构

  1. N-visor可以管理S-VM和N-VM的硬件资源，S-visor只管理S-VM。
  2. N-Visor掌管硬件资源，为S-visor提供服务，S-visor负责保护他们。
  3. 当创建S-VM的时候，N-visor给它分配硬件资源，当N-visor想要运行虚拟机的时候，它把控制流交给S-visor。

挑战

现存的TurstZone设计方式给TwinVisor的实现带来了3个挑战。

Challenge1 独立的权限模型：TrustZone的安全世界不比常规世界有更多的权限，这样安全世界就不能透明的拦截常规世界的一些指令，比如trap-and-emulate

Challenge2 静态资源分配：TrustZone采用了一种静态资源分区的策略。这导致安全虚拟机的资源利用率很低

Challenge3 不频繁的两个世界的转换：TrustZone的世界转换太慢了，而TwinVisor要频繁转换

解决方案

针对这3个问题，我们分别提出了3种解决方案：

S olution1:逻辑上剥夺N-Visor的权力的模型

可能的方案：用PV模型。

缺点：会导致大量的世界转换，会引入大量的修改

提出了H-trap，一种类似trap的机制，使S-visor能够检查N-visor的操作

提出原因：在S-visor运行虚拟机之前，任何管理程序或者虚拟机配置都不能影响S-VM的执行

内容：

  1. 所有的对配置的检查都在S-visor进入S-VM的时候再开始批量进行
  2. H-Trap不为两个visor的交流提供任何共享的PV数据结构，而是重用已经存在的硬件接口
  3. S-visor检查CPU寄存器和内存之间的映射，并在进入S-VM之前阻止非法状态
  4. S-visor尽量不会让N-visor读写寄存器，当N-visor必须读到寄存器的值的时候，S-visor会选择性的开放几个寄存器。

Solution2:内存资源的协同管理

设计了一种分割连续内存分配器（split CMA)，常规世界和安全世界都能用它协作来给常规世界动态分配内存

重用操作系统中已有的CMA（Contiguous Memory Allocator）

  1. split CMA尽量保持安全内存是连续的,解决TZASC无法支持页面粒度动态地更改物理内存的安全状态的问题

  2. split CMA可以再常规世界和常规世界分成两个模块：常规端和安全端,他们能够相互协作来转换内存的安全属性。如果S-visor不占用内存，常规端就把他们给了内存分配器，给常规内存分配，当S-visor需要更多内存，常规端就会收集内存，把内存给了安全端。反之同理。解决N-visor不能感知内存安全性的动态变化的问题

  3. 内存管理：split CMA设计了层次结构来管理内存:

    • 上层：把所有的空余内存都组织到一个内存池中，并且增大了内存的分配粒度（防止锁竞争导致性能下降）
    • 中层：内存池被分割成可变大小的内存块，每个块包含很多页并且只属于一个S-VM，块内存的地址跟块的大小对齐。
    • 底层：内存块被当做内存页的缓存，维持了一个bitmap来记录那个页是闲置的。

  4. 内存压缩：解决常规端向安全端借内存，而安全端的内存不连续的问题。做法就是把不连续的内存放到连续的最前面。

Solution3:高效的世界转换

我们发现原来的世界转换包含着很多冗余操作

从前的做法：结合使用侧核轮询和共享内存。

缺点：浪费CPU资源，很难决定用多少核

  1. 使用共享页面在两个hypervisor之间传输vCPU的通用寄存器的值
  2. TwinVisor利用寄存器继承来进一步避免冗余操作。

实现

1.I/O虚拟化

TwinVisor用 shadow I/O rings 和 shadow DMA buffers 实现对S-VM透明、重用已有的代码

问题：

  • 在Linux中，二者都是从S-VM的安全区内分配的，这对N-visor不可见

  • Shadow I/O ring给应用程序带来很大的开销

解决：

  • S-visor在N-visor的常规内存中复制shadow I/O rings和shadow DMA buffers，在两个世界中同步I/O请求和DMA数据

  • 利用由WFx指令和物理IRQs引起的常规虚拟机退出来支持TX shadow I/O ring的更新。

2.评估的原型

功能评估：在ARM FVP平台上实现一个全功能的S-EL2.

性能评估：用了麒麟990开发板，支持VHE，其工作原理与启用了S-EL2的硬件类似。

安全属性：

  • 固件和s面板在系统的生命周期内是受信任的

  • S-VM的内核镜像的完整性是由S-visor强制保证的

  • 每个S-VM的CUP寄存器状态是被S-visor保护的

  • S-VM之间的内存、S-VM与常规世界的内存是彼此隔离的

  • 每个S-VM的I/O数据都受到S-visor保护。

  • 所有的数据和每个SVM的控制流都受到S-visor保护。

性能评估

  1. 微型测试

Fig3. 比较TwinVisor和原型在超级调用和二阶页错误上的错误处理

  • 与原始版本相比，TwinVisor引入73%的开销

  • 快速转换机制加快了世界间的转换速度

  • 没有shadow S2PT的TwinVisor会节省很多开销

  1. 实际世界中的应用程序的性能

Fig4. S-VM和N-VM在TwinVisor上的性能差异

  • 在所有的基准测试中，TwinVisor和原始版本的性能差异在5%以内，因为快速世界转换机制只占据应用程序有效执行时间的很小一部分
  • TwinVisor中的N-VM和原始版本相比只占据少于1.5%的花销
  1. 稳定性测试

Fig5. TwinVisor和原始版本在稳定性上的比较

  • 不管给了多少虚拟CPU，TwinVisor的花销少于5%
  • 在混合工作负载中，所有基准测试的最大开销都小于6%。
  • 随着S-VM的增长，TwinVisor是可扩展的。
  1. split-CMA的开销

Fig6. 迁移缓存的数量对使用Memaslap基准测试的内存缓存的影响。

  • 在最坏的情况下，测试的Memcashed的吞吐量分别下降了6.84%和1.30%，开销减小的原因是多个S-VM平摊。

评价

本文主要目的是通过软件的设计，扩展了TrustZone的特性，来达到在ARM平台上实现硬件隔离级别的机密虚拟机的效果，为此作者提出了TwinVisor。TwinVisor的一个核心设计理念是：将管理与保护解耦，他让N-visor负责管理硬件资源、提供服务，S-visor负责保护。

在设计时，我们可以看到作者始终有着明确的设计原则和目标：首先，为了保持安全性，作者禁止N-visor访问任何CPU寄存器的值；其次，为了保持高效性，作者对冗余操作进行了精简；最后，为了只引入最少的更改、保持简洁性，作者在设计的时候选择尽量利用已有的结构，在其上做小量修改，如hypervisor、CMA、I/O机制等，而不是重新设计新的结构。

在设计之前，作者对比了现有的TrustZone与TwinVisor的设计思想的差异，明确的指出了要实现TwinVisor所面临的3个问题，即独立的权限模型、静态资源分配、不频繁的世界转换，并对这些问题逐一提出了针对性措施，条理清晰。之后，作者通过实验，测试TwinVisor与原始版本的性能差异，结果显示TwinVisor在安全虚拟机上仅造成了不到5%的性能开销，这样的结果是令人满意的。

文章最后，作者提出了对未来ARM的硬件设计建议，包括有选择性的透明指令捕获、细粒度的安全内存配置、直接世界交换。

参考博客

[1]ARM系列之ARM Trustzone 技术浅析（一）—— TEE概述&ARM Trustzone硬件架构基础介绍

[2]一篇了解TrustZone

[3]Hypervisor介绍(一)

[4]从Intel新酷睿处理器放弃SGX看机密计算技术的发展

[5]一文看懂arm架构和x86架构有什么区别

[6]关于trap and emulated的解释

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