📘 學習筆記：深入理解TEE OSes

Understanding TEE OSes In Depth

一、TEE OS 概述

📌 定義與作用

• OS：軟件與硬件之間的橋樑
• TEE OS：TEE軟件與TEE硬件之間的橋樑

• TEE OS 分類：

  • Enclave 內的庫操作系統：Haven, SGX-LKL, Gramine, Occlum
  • CVM 內的客户操作系統：Linux, Gramine-TDX, Asterinas

二、主要 TEE OS 介紹

1. Haven (OSDI’14)

• 首個為 Intel SGX 設計的庫OS，提供 Windows ABI

• 結構包括：

  • Application → Windows 8 API
  • Library OS → Drawbridge ABI
  • Shield module（線程、虛擬內存、調度、文件系統等）
  • Untrusted runtime → Drawbridge ABI, SGX priv. ops
  • SGX driver

2. Gramine-SGX (ATC’17)

• Linux 兼容的單進程庫OS
• 提供28種安全接口分類：Safe, Benign, DoS, Unsafe

3. Occlum (ASPLOS’20)

• Linux 兼容的多進程庫OS，使用 Rust 編寫
• 強調強隔離、最小化應用修改

4. SGX-LKL (EuroSys’21)

• 基於 Linux Kernel Library 的 SGX 移植版本

5. Graphic-TDX (CCS’24)

• 為 Intel TDX 設計的 Linux 兼容單進程庫OS
• TCB 比傳統 Linux 內核小得多

三、Lago 攻擊：TEE OS 的主要威脅

📌 定義

• Lago 是莎士比亞戲劇《奧賽羅》中的角色，不直接殺人，而是通過謊言和半真半假的話操縱奧賽羅自我毀滅。
• Lago 攻擊：不可信的操作系統向 TEE 提供惡意輸入，利用 TEE 內部漏洞進行攻擊。

🛡️ 攻擊示例（Linux 內核漏洞）

1. 內存安全漏洞（virtio_ring.c）

i = virtio16_to_cpu(_vq->vdev, desc[i].next);

• 問題：越界索引（Out-of-bound indexing）

2. 整數溢出（virtio_console.c）

nr_queues = use_multiport(portdev) ? (nr_ports + 1) * 2 : 2;
vqs = kmalloc_array(nr_queues, sizeof(struct virtqueue *), GFP_KERNEL);

• 問題：整數溢出 → 分配零大小對象

3. Use-after-Free（virtio_net.c）

if (mtu < dev->min_mtu) {
    goto free;
}
...
free: free_netdev(dev);

• 問題：未設置錯誤號 → Use-after-Free

四、Asterinas：內存安全的 Rust 內核

🛡️ 防禦 Lago 攻擊的設計

• 內存能力對象：

  • VmFrame：物理內存頁
  • DmaCoherent：一致性DMA映射
  • VmSpace：用户內存空間
  • DmaStream：流式DMA映射
• 所有內存訪問必須通過這些對象的安全方法

✅ 優勢

• 比 Linux 或其他 Rust 內核更內存安全
• 最小化 TCB（比 RedLeaf、Theseus、Tock 更小）
• 性能與 Linux 相當

五、MiSDisk：安全的虛擬磁盤

🎯 目標

• 保護 TEE 的磁盤 I/O 免受強大攻擊者

• 提供 CIFC 保證：

  • Confidentiality（機密性）
  • Integrity（完整性）
  • Freshness（新鮮度）
  • Consistency（一致性）

🧱 多層設計

• L3：可信塊 I/O 層（BIO）
• L2：事務性鍵值存儲（TxKV）
• L1：事務性日誌存儲（TxLog）
• L0：安全日誌層（EditJournal）

🚀 性能

• 在 FIO 和 trace-driven 測試中顯著優於 SGX-PFS

六、總結

• TEE OS 是 TEE 軟件與硬件之間的橋樑
• Lago 攻擊 是 TEE 最大威脅
• Asterinas 能有效防禦基於內存的 Lago 攻擊
• MiSDisk 提供對基於 I/O 的 Lago 攻擊的 CIFC 保護