안전한 샌드박스 환경에서 투기적 데이터 액세스를 효율적으로 보호하는 Okapi

Core Concepts

Okapi는 현대 컴퓨팅 시스템에서 투기적 실행 측면 채널(TES) 공격, 특히 Spectre 변종을 완화하기 위해 설계된 새로운 하드웨어/소프트웨어 교차 계층 아키텍처입니다.

Abstract

Okapi는 현재 신뢰 도메인에 의해 최소 한 번 이상 비투기적으로 액세스된 메모리 페이지에만 투기적 데이터 액세스를 허용합니다. 소프트웨어 수준에서 신뢰 도메인의 세부 수준을 조절하여 다양한 보안 및 성능 트레이드오프를 달성할 수 있습니다.
Okapi 하드웨어 기능만으로도 Spectre-PHT 또는 Spectre-BTB와 같은 TES 탈출 공격에 대한 완전한 보호를 제공하며, SPEC CPU2017 벤치마크 스위트에서 평균 3.17%의 성능 오버헤드만 발생합니다.
Okapi는 OkapiReset 명령어를 통해 추가적인 소프트웨어 수준 보안 지원을 제공합니다. 이 명령어를 사용하면 스레드보다 작은 사용자 정의 크기의 샌드박스에서 1.68%의 성능 오버헤드로 보안을 달성할 수 있습니다.
또한 Okapi는 독성 공격을 제거할 수 있는 가능성을 제공합니다. 최고 수준의 보안을 위해 OkapiLoad 명령어를 사용하면 기밀 데이터가 신뢰 도메인에 추가되지 않도록 하여 약한 투기적 비간섭을 강제할 수 있습니다. 추가적으로 Okapi는 Spectre 가젯의 악용 가능한 코드 공간을 잘 정의된 프로그램 섹션으로 제한하는 하드웨어 확장을 제공합니다.

Stats

프로그램은 컨텍스트 스위치 사이에 매핑된 코드 페이지의 약 5.69%와 데이터 페이지의 약 31.27%만 액세스합니다.
Okapi 하드웨어 기능은 SPEC CPU2017 벤치마크에서 평균 3.17%의 성능 오버헤드를 발생시킵니다.
OkapiReset 명령어를 사용하면 WebAssembly 런타임 환경에서 1.68%의 성능 오버헤드로 보안을 달성할 수 있습니다.
암호화 라이브러리에서 OkapiReset 명령어를 사용하면 최대 168.43%의 성능 오버헤드가 발생하지만, 함수 단위 granularity를 사용하면 17.86%로 감소합니다.

Quotes

"Okapi는 현대 컴퓨팅 시스템에서 투기적 실행 측면 채널(TES) 공격, 특히 Spectre 변종을 완화하기 위해 설계된 새로운 하드웨어/소프트웨어 교차 계층 아키텍처입니다."
"Okapi는 현재 신뢰 도메인에 의해 최소 한 번 이상 비투기적으로 액세스된 메모리 페이지에만 투기적 데이터 액세스를 허용합니다."
"OkapiReset 명령어를 사용하면 스레드보다 작은 사용자 정의 크기의 샌드박스에서 1.68%의 성능 오버헤드로 보안을 달성할 수 있습니다."

Key Insights Distilled From

Okapi: Efficiently Safeguarding Speculative Data Accesses in Sandboxed Environments

by Philipp Schm... at arxiv.org 04-24-2024

https://arxiv.org/pdf/2312.08156.pdf

Deeper Inquiries

질문 1

프로그램의 신뢰 도메인 크기를 동적으로 조절하는 방법에 대해 더 자세히 알아볼 수 있을까요?
Okapi 아키텍처에서 프로그램의 신뢰 도메인 크기를 동적으로 조절하는 것은 소프트웨어 수준에서 이루어집니다. 이를 위해 프로그램은 OkapiReset 명령을 실행하여 이전 신뢰 도메인에서 새로운 도메인으로 전환할 때 권한을 재설정해야 합니다. 이 명령은 하드웨어 수준에서 실행되며, 이전에 얻은 액세스 권한을 해제합니다. 이를 통해 프로그램은 더 작은 단위로 신뢰 도메인을 설정할 수 있으며, 이를 통해 보안을 강화할 수 있습니다. 또한, OkapiLoad 명령을 사용하여 민감한 데이터에 대한 액세스를 허용하면서도 해당 페이지를 신뢰 도메인에 추가하지 않을 수 있습니다.

질문 2

Okapi가 제공하는 보안 보장을 위반할 수 있는 잠재적인 취약점은 무엇이 있을까요?
Okapi 아키텍처는 Spectre와 같은 TES 공격을 효과적으로 방지하도록 설계되었지만, 여전히 일부 잠재적인 취약점이 존재할 수 있습니다. 예를 들어, 프로그램이 올바르게 구현되지 않거나 안전하지 않은 코드가 삽입되는 경우 보안 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 악의적인 사용자가 하드웨어나 소프트웨어를 조작하여 시스템을 침입하거나 데이터를 노출시키는 공격을 시도할 수 있습니다. 따라서 시스템의 보안을 유지하기 위해서는 정기적인 보안 감사와 업데이트가 필요합니다.

질문 3

Okapi의 하드웨어 확장이 향후 컴퓨팅 시스템의 발전에 어떤 영향을 미칠 수 있을까요?
Okapi의 하드웨어 확장은 컴퓨팅 시스템의 보안성을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 더욱 효율적인 보안 기능을 제공하면서도 성능 저하를 최소화하는 Okapi 아키텍처는 미래의 시스템에서 더 안전한 환경을 조성할 수 있습니다. 또한, 동적인 신뢰 도메인 크기 조절 기능은 다양한 보안 요구 사항에 맞게 프로그램을 보호하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 기술적 발전은 새로운 보안 표준을 제시하고 새로운 공격에 대비하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.