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paper: Trusted Execution Environments: Properties, Applications, and Challenges

软件攻击在近几十年都是一个挑战，操作系统内核作为第一道防线，通过进程隔离对软件提供了一定程度的保护。然而内核本身的漏洞、侧信道攻击、物理攻击可以无视进程的隔离对软件进行攻击。

为了提供更强的软件间的隔离（包括操作系统的隔离），一些基于硬件的解决方案被提出，主要有TPMs（Trusted Platform Modules）、HSMs（Hardware Security Modules）、SEs（Secure Elements）、TEEs（Trusted Execution Environments）。

TPMs是一个复杂的、安全的与个人设备绑定的密码处理器（cryptoprocessor），提供秘钥生成、加密、可信的完整性测量（证明，attestation），但是不提供软件级别的隔离。

HSMs支持敏感代码的执行，不与个人设备绑定，作为插件/外设提供服务。

SEs以协处理器（coprocessor）的方式实现了HSMs的功能，性能较低，受生产厂商限制。

TEEs与SoC（System of Chip）集成，可以提供比前几种方案更加灵活的密码学原语、隔离执行功能，受工业界推荐。

工业界

Intel SGX：Protecting Apps in User Space

英特尔于2015年提出SGX，假设任何软件（包括操作系统）、甚至一些硬件都是不可信的，因此SGX的TCB只包含CPU和它的微指令。在SGX中，TEE的实例叫做飞地（enclaves），用于在用户空间执行敏感的程序代码，与可能恶意的操作系统、虚拟机监视器隔离。在飞地启动时，验证飞地代码和数据的完整性。当飞地运行时，与主进程共享虚拟地址空间。飞地的内存管理完全由不可信的操作系统负责，操作系统还为飞地提供异常处理和输入输出服务。使用硬件特性保护飞地的代码和数据不被主进程、操作系统访问。 英特尔在设计SGX的时候没有考虑侧信道攻击。

AMD SEV: Moving to the Cloud

AMD于2017年提出了自己的TEE， SEV，与英特尔的SGX采用了完全不同的方法。

SEV为云而设计，为密集计算提供更好的性能，并对运行在支持SEV的虚拟机上的软件透明。

SEV使用秘钥加密VM达到隔离VM的目的，秘钥只能由硬件访问，因此hypervisor或者VM外其他软件无法干扰加密。 相比于SGX飞地的实现使用了内存管理单元，SEV使用了Secure Memory Encryption(SEM)来加密VM内存保护防止物理攻击和特权软件攻击。SME是一个透明的硬件内存加密特性，在数据进入内存前对其加密，加载如cache前解密。

在设计上同样没有考虑侧信道攻击。

ARM TrustZone: Protecting Mobile Devices

早在2004年ARM就提出了TrustZone，实现了在移动设备上的TEE安全架构。

与SGX和SEV不同的是，TrustZone只支持一个TEE实例。

通过将外设的驱动程序放入TOS，TrustZone可以从外设到敏感程序建立安全的通信通道，设置允许安全的直接内存访问（DMA）。

TrustZone最核心的idea—世界切换，在特权登记最高的软件模块（可信固件， Trusted Firmware, TF）实现，TF也负责两个世界的通信。

TrustZone不支持cache partitioning，因此无法抵御侧信道攻击。

学术界

由于工业界的SGX和TrustZone都无法防御侧信道攻击，学术界分别提出了Sanctum和Sanctuary对二者进行了改进。

Sanctum: Extending Enclave Protection

Costan等人于2016年为RISC-V架构提出Sanctum安全架构，相比SGX，通过memory page coloring实现了cache partitioning，提供了cache侧信道攻击的防御。

1. 每个飞地管理自己的页表。

Sanctuary： Providing Multidomain Security

由于TrustZone的限制（只支持一个TEE？），Brasser等人于2019年提出Sanctuary，为基于ARM的设备提供了任意数量的TEE，可以抵御cache侧信道攻击。

Sanctuary不支持硬件cache partitioning，但是对于敏感程序的软件cache侧信道攻击可以防御：启动飞地的时候flushing core-exclusive cache，从共享的LLC（last-level cache）中移除数据和代码。

总结

TEE本质上是资源共享和隔离之间的tradeoff，资源共享提高了系统性能，但是共享意味着安全问题，隔离可以提高安全性，但是会降低系统性能。

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