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微内核文件服务器中安全与性能的协同优化

Harmonizing Security and Performance in Microkernel File Servers

  • 摘要:
    研究背景 宏内核将大多数系统服务(如文件系统、网络栈和驱动)运行在具有特权权限的单一地址空间内。因此任何服务中的漏洞都可能威胁整个内核。相比之下,微内核将大多数系统服务部署在相互隔离的用户态进程(称为系统服务)中,这限制了系统服务的漏洞的影响。从应用程序的角度来出发,微内核设计可以减少其可信计算基(TCB),因为未使用的系统服务中的漏洞几乎不会威胁应用安全性。然而应用程序仍然需要信任其所有必需的服务。尽管这些系统服务没有内核权限,仍然隐含地比应用程序更有特权。例如文件服务掌控了应用程序的所有文件数据。
    目的 本工作的研究目标是使用可能存在漏洞的文件服务,同时将它们从应用程序的TCB中移除,从而文件的机密性和完整性需要得到保障。微内核中的应用程序需要透明且高效地使用文件服务,而无需信任它们。
    方法 本工作提出了Mirage,一种在微内核操作系统中保护应用程序文件机密性和完整性的方法。文件服务(包括文件系统和硬盘驱动)不受信任。Mirage确保应用程序文件数据只能在应用程序本地缓存和特定硬盘区域之间交换。不受信任的文件系统和硬盘驱动程序既不能直接访问缓存,也不能直接访问硬盘。因此,文件机密性得以保证。此外,Mirage采用哈希技术来保护文件完整性。
    结果 本工作为两个文件系统(ext4和fat32)和一个硬盘驱动(SPDK NVMe驱动程序)适配了Mirage机制。在IOzone微基准测试中,Mirage的性能最多比传统加密解决方案快3.9倍。对于图处理应用程序GridGraph,Mirage的性能比加密解决方案高出128%。
    结论 Mirage以文件系统为例增强微内核操作系统的安全性。它允许应用程序使用可能存在漏洞的文件系统和硬盘驱动程序,同时将它们从TCB中移除。在实际应用的测试中,Mirage拥有比现有解决方案更好的性能。

     

    Abstract: Microkernel OSes separate OS functionalities, including file systems and device drivers, into different user-level services, which mitigates the problem of lacking isolation in monolithic OSes. Nevertheless, from the perspective of applications, compromised services may still threaten applications’ security. Specifically, attackers can utilize vulnerabilities in file systems and disk drivers to leak or manipulate applications’ file content. The key problem is that de-privileging OS services from the kernel level to the user level does not mean the reduction of applications’ trusted computing base (TCB), and applications still need to trust all the required system services. This paper shows a case for providing the file service to applications with minimum TCB on microkernel OSes. Observing that file services actually do not need to access concrete file content, we propose a mechanism named Mirage, which deprives their privilege of accessing file content while preserving their management capability. Mirage efficiently protects the confidentiality and integrity of application files from untrusted services. The evaluation demonstrates that Mirage outperforms an encryption-based mechanism by up to 128% for IO-intensive workloads.

     

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