Extending Layered Attestation into ARM Application Run-Times
تقدم هذه الورقة البحثية ARA، وهو مرساة وقت تشغيل التطبيقات (application-runtime anchor) القائم على بنية ARM، والذي يمدد عملية المصادقة المدعومة عتاديًا من وقت التحميل إلى وقت التنفيذ عبر الاستفادة من ملحقات تراكب الأذونات (Permission Overlay Extensions) لإنشاء نطاق مصدق ومحمي للتحقق من سلامة وقت التشغيل وحماية الأسرار بأقل قدر من الأعباء الإضافية على الأداء.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الحوسبة الحديثة، يتم ترسيخ الثقة غالباً في اللحظة التي يبدأ فيها البرنامج بالعمل. فعندما تفتح تطبيقاً على هاتفك، يتحقق الجهاز للتأكد من أن البرمجيات أصلية ولم يتم التلاعب بها قبل أن تبدأ في العمل حتى. تعتمد هذه العملية، المعروفة باسم "التوثيق" (attestation)، على "جذر ثقة" مدعوم بالأجهزة، وهو أساس آمن مدمج في الشريحة نفسها للتحقق من هوية البرمجيات. ومع ذلك، بمجرد اجتياز هذا الفحص الأولي وبدء التطبيق في عمله، غالباً ما يتلاشى هذا المستوى العالي من الأمان. يفترض الجهاز أن البرنامج يتصرف بشكل صحيح، مما يترك فجوة يمكن للمهاجمين من خلالها تغيير سلوك التطبيق، أو سرقة الأسرار، أو التلاعب بالبيانات دون أن يلاحظ النظام ذلك. لسنوات طويلة، تمثل الحل لهذه المشكلة في نقل المهام الحساسة إلى بيئات منفصلة ومعزولة، لكن القيام بذلك كان يتطلب من الكمبيوتر التبديل باستمرار بين "تروس" مناطق أمنية مختلفة، وهي عملية كانت بطيئة وتستنزف عمر البطارية.
قام فريق من الباحثين من جامعة زيورخ وهواوي بتطوير نهج جديد لسد هذه الفجوة، مما يسمح للأمان بالاستمرار طوال حياة التطبيق بأكملها دون التكلفة الكبيرة في الأداء. لقد أنشأوا نظاماً يسمى ARA، والذي يؤسس منطقة آمنة ومحمية مباشرة داخل مساحة الذاكرة الخاصة بالتطبيق نفسه. ومن خلال استخدام ميزة عتادية (hardware feature) تم تقديمها حديثاً في معالجات ARM الحديثة، مكن الباحثون التطبيق من استضافة "حارس أمن" موثوق خاص به يمكنه مراقبة إجراءات البرنامج وحماية المفاتيح الحساسة في الوقت الفعلي. يوضح عملهم أنه من الممكن الحفاظ على مستوى عالٍ من الأمان والتحقق من أن التطبيق يتصرف بشكل صحيح أثناء تشغيله، كل ذلك مع العمل بنفس سرعة التطبيق غير المؤمن تقريباً.
كان التحدي الجوهري الذي واجهه الباحثون هو كيفية إبقاء نظام أمني موثوق معزولاً عن تطبيق قد يكون مخترقاً دون إجبارهم على التواصل عبر حدود بعيدة وبطيئة. تعتمد الطرق التقليدية غالباً على تشغيل الخدمة الأمنية في عملية (process) منفصلة تماماً أو في "جيب" (enclave) عتادي متخصص. وبينما تعد هذه الطرق آمنة، إلا أنها تتطلب من الكمبيوتر إيقاف التطبيق الرئيسي، والتبديل بين السياقات (contexts)، والتواصل عبر حواجز معقدة في كل مرة تكون فيها هناك حاجة لفحص أمني. هذا التبديل المستمر يخلق تأخيراً كبيراً، مما يجعل الأمر غير عملي للمهام التي تتطلب قرارات سريعة جداً، مثل مراقبة كل خطوة يتخذها برنامج ما أو فك تشفير بث فيديو في الوقت الفعلي. أدرك الباحثون أن الحل يكمن في قدرة عتادية جديدة تسمى "ملحقات غطاء الأذونات" (Permission Overlay Extensions)، والتي تسمح لبرنامج واحد بتقسيم ذاكرته الخاصة إلى غرف متميزة ومعزولة بقواعد وصول مختلفة، تُدار جميعها بواسطة المعالج نفسه.
باستخدام هذه التقنية، بنى الفريق نظام ARA ليعمل كمرساة آمنة داخل مساحة العنوان الخاصة بالتطبيق. عندما ينطلق التطبيق، يقوم محمل موثوق (trusted loader) أولاً بإعداد البيئة، مقسماً الذاكرة إلى ثلاث مناطق متميزة: واحدة لكود التطبيق غير الموثوق، وواحدة لنقطة دخول محكومة، وواحدة للخدمات الأمنية الآمنة. ثم يتم توجيه المعالج لفرض قواعد صارمة على هذه المناطق. يمكن للتطبيق الرئيسي قراءة وكتابة بياناته الخاصة، لكن يُمنع تماماً من لمس الذاكرة حيث توجد الخدمات الأمنية. والأهم من ذلك، لا يمكن للتطبيق تغيير هذه القواعد من تلقاء نفسه. حتى لو نجح مخترق في حقن كود خبيث داخل التطبيق، فإن ذلك الكود سيكون عاجزاً مادياً عن الوصول إلى المنطقة الآمنة أو تغيير الأذونات التي تحافظ على سلامتها. الطريقة الوحيدة لتفاعل التطبيق مع الخدمات الأمنية هي من خلال "بوابة" محددة ومعتمدة مسبقاً يتحكم فيها النظام الأمني.
اختبر الباحثون هذا النظام في سيناريوهين متميزين لمعرفة كيفية أدائه في العالم الحقيقي. في الحالة الأولى، قاموا بمحاكاة خدمة بث وسائط تحتاج إلى فك تشفير محتوى الفيديو باستخدام مفتاح سري. وقارنوا نظامهم الجديد بالطريقة القياسية التي تستخدم عملية منفصلة لفك التشفير. أظهرت النتائج أن النظام الجديد كان أسرع بشكل كبير؛ فبالنسبة لملف فيديو مدته ساعتان، أضافت الطريقة التقليدية عدة ثوانٍ من التأخير بسبب التبديل المستمر بين العمليات، بينما أضاف النظام الجديد جزءاً ضئيلاً من الثانية فقط. وفي الحالة الثانية، اختبروا نظاماً يراقب سلوك التطبيق باستمرار لضمان اتباعه للمس الصحيح، وهي مهمة تتطلب آلاف الفحوصات الأمنية في الثانية. هنا، كان النظام الجديد أسرع بنحو ثلاثين إلى خمسة وخمسين مرة من الطريقة التقليدية. جاء هذا الربح في السرعة من خلال إلغاء الحاجة إلى التبديل بين العمليات المختلفة أو طلب المساعدة من نظام التشغيل؛ إذ تمت الفحوصات الأمنية مباشرة ضمن تدفق التطبيق نفسه، محمية بواسطة العتاد.
كما تناولت الدراسة كيفية ملاءمة هذا النظام لمشهد الأمان الحالي في الأجهزة المحمولة. تستخدم الهواتف الحديثة بالفعل العتاد للتحقق من أن التطبيق شرعي عند تثبيته أو تشغيله لأول مرة. وقد صمم الباحثون نظامهم لتوسيع سلسلة الثقة الموجودة هذه. فعندما يبدأ التطبيق، يتحقق الجهاز من الخدمات الأمنية الآمنة تماماً كما يتحقق من التطبيق نفسه. وهذا يعني أن خادماً بعيداً يمكنه أن يكون واثقاً من أن الفحوصات الأمنية التي تحدث داخل التطبيق حقيقية ولم يتم التلاعب بها. يتضمن النظام أيضاً طريقة لتسليم المفاتيح السرية بأمان إلى التطبيق؛ حيث يمكن للخادم إرسال مفتاح مشفر لا يمكن إلا لنسخة محددة ومحققة من التطبيق فتحها، مما يضمن أنه حتى لو كان التطبيق يعمل على جهاز مخترق، فإن السر يظل آمناً داخل منطقة الذاكرة المحمية.
بينما يظهر النظام وعوداً كبيرة، أشار الباحثون إلى أن الميزة العتادية المطلوبة ليست متوفرة بعد في أي أجهزة تجارية. لقد بنوا نموذجهم الأولي باستخدام بيئة محاكية ومعالج فيزيائي معدل لإثبات نجاح المفهوم. كما أقروا بأن تصميمهم الحالي يفترض أن التطبيق يعمل على مسار تنفيذ واحد (single thread)، وأن دعم مسارات تنفيذ متعددة متزامنة سيتطلب هندسة إضافية لضمان الحفاظ على القواعد الأمنية لكل مسار. ورغم هذه القيود، يوفر هذا العمل مخططاً عملياً لمستقبل يمكن أن تكون فيه التطبيقات سريعة وآمنة في آن واحد. إنه يشير إلى أن المقايضة طويلة الأمد بين الأداء والحماية ليست حتمية، وأنه مع الدعم العتادي المناسب، يمكننا الحصول على تطبيقات تحمي أسرارها الخاصة وتتحقق من سلامتها دون إبطاء تجربة المستخدم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.