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Resolving Conflicts Between RTOS Timekeeping and Uninterruptable Trusted Computing

Dieses Papier löst den Konflikt zwischen der Zeitmessung von Echtzeitbetriebssystemen und atomaren Trusted-Computing-Diensten auf leistungsschwachen Mikrocontrollern, indem es einen sicherheitsgetriebenen Synchronisationsmechanismus einführt, der verpasste Interrupts kompensiert, ohne das RTOS zu modifizieren oder erhebliche Laufzeit-Overheads zu verursachen.

Ursprüngliche Autoren: Antonio Joia Neto, Amarin Amarin, Norrathep Rattanavipanon, Ivan De Oliveira Nunes

Veröffentlicht 2026-04-28

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Antonio Joia Neto, Amarin Amarin, Norrathep Rattanavipanon, Ivan De Oliveira Nunes

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich einen hochsicheren Banktresor (die Sichere Welt) und ein belebtes, geschäftiges Büro direkt daneben (die Nicht-Sichere Welt) vor.

In diesem Büro hängt eine sehr wichtige Uhr an der Wand, die alle 10 Millisekunden tickt. Diese Uhr ist der Herzschlag des Büros. Sie sagt den Arbeitnehmern, wann sie eine Aufgabe beginnen, wann sie eine Pause machen und wann sie eine Maschine stoppen sollen. So funktionieren Echtzeit-Betriebssysteme (RTOS) auf winzigen Computerchips in Geräten wie Smart-Home-Gadgets oder medizinischer Ausrüstung.

Das Problem: Der „unterbrechungsfreie" Tresor

Stellen Sie sich nun vor, der Banktresor muss einen kritischen, geheimen Vorgang durchführen – wie das Ändern des Zahlenschlosses oder die Verifizierung einer Unterschrift. Um sicherzustellen, dass niemand unbemerkt eindringen und den Prozess manipulieren kann, verschließt der Tresorverwalter die Türen und schaltet das Gegensprechanlagen-System für die gesamte Dauer der Arbeit ab.

In Computersprache nennt man dies atomare Ausführung. Die Sichere Welt deaktiviert alle Unterbrechungen (einschließlich des Signals der Büro-Uhr), um ihre Geheimnisse zu schützen.

Hier liegt der Konflikt:
Während der Tresor abgeriegelt ist und die Gegensprechanlage ausgeschaltet ist, tickt die Büro-Uhr in der realen Welt weiter, aber die Büroangestellten hören sie nicht.

Wenn der Tresorauftrag lange dauert, könnte die Uhr 100 Mal ticken, während die Arbeitnehmer taub dafür sind.
Wenn sich der Tresor endlich öffnet und die Gegensprechanlage wieder eingeschaltet wird, erinnert sich die Uhrenhardware nur an einen verpassten Tick. Sie sagt: „Okay, hier ist ein Tick!" und geht weiter.
Die anderen 99 Ticks sind für immer verloren.

Die Büroangestellten denken nun, es seien nur 10 Millisekunden vergangen, aber in Wirklichkeit sind 1.000 Millisekunden vergangen. Ihr interner Zeitplan ist nun völlig aus dem Takt mit der Realität geraten. Wenn sie einen Roboterarm oder eine Fahrzeugbremse steuern, könnte diese „Zeitverschiebung" dazu führen, dass sie zu spät oder zu schnell reagieren, was zu Unfällen führt.

Die Lösung des Papers: Der „geheime Zeitwächter"

Die Autoren dieses Papers erkannten, dass einfaches Warten darauf, dass das Büro aufholt, nicht funktioniert, weil die Uhrenhardware nicht alle verpassten Ticks speichern kann.

Sie schlugen einen cleveren Workaround vor: Der Tresorverwalter wird zum Büro-Zeitwächter.

So funktioniert ihr System:

Bevor der Tresor sich verschließt: Das Signal der Büro-Uhr wird umgeleitet. Statt zu den Büroangestellten zu gehen, geht es direkt zum Tresorverwalter.
Während der Sperrung: Obwohl die Büroangestellten stumm sind, hört der Tresorverwalter der Uhr zu. Jedes Mal, wenn die Uhr tickt, zählt der Verwalter mit.
- Analogie: Stellen Sie sich vor, der Verwalter hat einen Notizblock. Jedes Mal, wenn die Uhr tickt, schreibt er „1, 2, 3..." auf den Block.
Nachdem der Tresor sich öffnet: Sobald der geheime Auftrag erledigt ist, gibt der Verwalter den Notizblock an das Büro zurück.
- Statt nur zu sagen „Hier ist ein Tick", sagt der Verwalter: „Ich habe 100 Ticks gezählt, während Sie beschäftigt waren. Hier ist der aktualisierte Zeitplan für alle 100."
Das Ergebnis: Die Büroangestellten aktualisieren ihre internen Uhren sofort, geben alle Aufgaben frei, die während der Verzögerung hätten beginnen sollen, und kommen wieder ins Lot.

Warum dies besonders ist

Das Paper hebt drei Hauptleistungen hervor:

Kein Umbau erforderlich: Sie mussten das Büro (das Betriebssystem) nicht neu bauen oder neue Uhren (Hardware) installieren. Sie haben lediglich geändert, wer während des Tresorauftrags der Uhr zuhört.
Es ist unsichtbar: Die Büroangestellten (die Anwendungen) merken nicht, dass der Tresor jemals verschlossen war. Sie sehen nur, dass die Zeit korrekt vergangen ist.
Es funktioniert für echte Maschinen: Die Autoren testeten dies an echter Hardware (wie dem Raspberry Pi Pico 2 und STM32-Chips) und simulierten sogar einen Motorregler. Sie zeigten, dass der Motor ohne diese Korrektur driftet und die Kontrolle verliert, aber mit der Korrektur perfekt gleichmäßig läuft.

Das Fazit

In einer Welt, in der winzige Computer sowohl super sicher (durch Abriegelung zum Schutz von Geheimnissen) als auch super schnell (durch perfekte Zeithaltung für Echtzeitaufgaben) sein müssen, kämpfen diese beiden Ziele normalerweise gegeneinander.

Dieses Paper bietet einen „Übersetzer", der es der sicheren Welt ermöglicht, die Zeit für die unsichere Welt zu zählen, während sie beschäftigt ist. Dadurch stellt sich sicher, dass, wenn der sichere Auftrag erledigt ist, der Rest des Systems genau weiß, wie spät es ist und sicher weiterarbeiten kann.

1. Problemstellung

Das Papier adressiert einen kritischen Konflikt zwischen Trusted Execution Environments (TEEs) auf leistungsfähigen Mikrocontrollern (speziell ARM TrustZone-M) und Echtzeit-Betriebssystemen (RTOS).

Der Konflikt: TEEs (Secure World) erfordern, dass bestimmte Sicherheitsdienste (z. B. kryptografische Operationen, Remote Attestation, Hot-Patching) atomar ausgeführt werden, um Manipulationen zu verhindern. Um die Atomizität sicherzustellen, deaktiviert die Secure World während der Ausführung alle Non-Secure-Interrupts.
Die Konsequenz: Die Non-Secure World (in der das RTOS reside) ist auf periodische SysTick-Interrupts angewiesen, um ihr internes Zeitverständnis zu erhalten, die Aufgabenscheduling zu steuern und Timeouts zu verwalten. Wenn die Secure World Interrupts deaktiviert, werden SysTick-Ereignisse blockiert.
Der Mechanismus des Versagens: Der Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC) kann nur ein ausstehendes Interrupt puffern. Wenn ein sicherer Dienst länger als eine SysTick-Periode ( $T_{tick}$ ) dauert, wird das erste verpasste Ticken gepuffert, aber alle nachfolgenden Ticks während dieses Intervalls werden stillschweigend verworfen.
Auswirkung: Dies führt zu einer Zeitdrift, bei der das RTOS die Zeit unterschätzt. Dies ist nicht lediglich ein Uhrenfehler; es verursacht:
- Verpasste Aufgabenauslösungen und verzögerte Ausführungen.
- Falsche Timeout-Abläufe in Synchronisationsprimitive.
- Das Versagen von Software-Timern.
- Eine Verschlechterung von Regelsystemen (z. B. Motorsteuerung) aufgrund stiller Timing-Missverhältnisse zwischen der Logik des Controllers und der physikalischen Realität.

Vorarbeiten haben dieses Problem weitgehend übersehen, indem sie davon ausgingen, dass schnelle atomare Operationen die Zeitmessung nicht signifikant beeinträchtigen würden, oder indem sie den kumulativen Effekt des Tick-Verlusts in einer Multi-Domain-Umgebung nicht modellierten.

2. Methodik: Secure-Driven Time Synchronization

Die Autoren schlagen einen leichten Mechanismus vor, bei dem die Secure World die Verantwortung übernimmt, verpasste SysTick-Ticks zu verfolgen und zu kompensieren, um sicherzustellen, dass die Non-Secure RTOS mit einem konsistenten Zustand wiederaufgenommen wird.

Kern-Designprinzipien

Keine RTOS-Modifikationen: Die Lösung erfordert keine Änderungen am zugrunde liegenden RTOS-Kernel oder an der Anwendungslogik.
Ausführung in der Secure World: Die Secure World fängt SysTick-Ereignisse ab, während atomare Dienste ausgeführt werden.
Zustandsrekonstruktion: Anstatt lediglich einen Zähler zu korrigieren, rekonstruiert die Secure World die semantischen Effekte der verpassten Ticks auf den RTOS-Kernel.

Technische Umsetzung

Interrupt-Umleitung: Wenn ein sicherer Dienst startet, konfiguriert die Secure World den NVIC neu, um den Non-Secure-SysTick-Interrupt an einen Handler der Secure World (den „Secure NS SysTick Handler") zu leiten.
Tick-Abfangen:
- Der Secure-Handler wird bei jedem SysTick-Ablauf ausgeführt, der während des atomaren Dienstes auftritt.
- Er inkrementiert einen internen Zähler ( $n$ ), der die Anzahl der verpassten Ticks darstellt.
- Er aktualisiert die Non-Secure-Tick-Zählervariable direkt unter Verwendung vorab extrahierter Adressen.
Rekonstruktionsdurchlauf (Nach dem Dienst): Sobald der sichere Dienst abgeschlossen ist und Interrupts wieder aktiviert werden, führt die Secure World einen einzigen „Durchlauf" durch, um die kumulativen Effekte der $n$ $n$ verpassten Ticks auf den Non-Secure-Kernel anzuwenden:
- Verzögerte Aufgaben: Befördert blockierte Aufgaben in die Bereitschaftsliste, wenn ihre Weckzeit $\le$ (aktueller Tick + $n$ ) ist.
- Software-Timer: Sendet einen Befehl an die Non-Secure-Timer-Aufgabenwarteschlange, um alle abgelaufenen Timer auszulösen, die während des verpassten Intervalls hätten feuern müssen.
- Round-Robin-Scheduling: Berechnet, wie viele Zeit-Slice-Rotationen hätten stattfinden sollen, und verschiebt den Bereitschaftslisten-Zeiger entsprechend.
- Neuplanung: Wenn eine Aufgabe mit höherer Priorität bereit wurde, löst sie ein PendSV aus, um einen sofortigen Kontextwechsel bei der Rückkehr zu erzwingen.
Sicherheit: Der Handler validiert alle Zeiger vor der Dereferenzierung von Non-Secure-Speicher, um zu verhindern, dass eine kompromittierte Non-Secure World Zeiger in den Secure-Speicher umlenkt.

3. Hauptbeiträge

Charakterisierung der Cross-World-Zeitdrift:
- Formalisierung eines mathematischen Modells für Tick-Verlust basierend auf der Dauer atomarer Dienste ( $A_i$ ), der SysTick-Periode ( $T_{tick}$ ) und der Ausführungsfrequenz.
- Nachweis, dass sich die Drift linear akkumuliert und selbst bei kurzen atomaren Operationen signifikant sein kann, wenn sie häufig auftreten.
Cross-World-Zeitversöhnungsmechanismus:
- Vorschlag einer neuartigen Architektur, bei der die Secure World während atomarer Intervalle als „Zeitwächter" für die Non-Secure World fungiert.
- Erzielung einer vollständigen Zustandskonsistenz (nicht nur Zählerkorrektur) ohne Modifikation des RTOS.
Empirische Validierung und Fallstudie:
- Validierung des Modells auf FreeRTOS und Zephyr, die auf ARM Cortex-M33-Hardware laufen (Raspberry Pi Pico 2 und STM32L552).
- Durchführung einer Fallstudie mit einem geschlossenen Regelkreis (DC-Motorgeschwindigkeits- und Positionsregelung), um die Sicherheitsauswirkungen unkorrigierter Drift zu demonstrieren.

4. Ergebnisse

Eliminierung der Drift: Der vorgeschlagene Mechanismus eliminierte die Zeitdrift vollständig. In Experimenten blieb der Non-Secure-Tick-Zähler auch nach Tausenden von Aufrufen atomarer Dienste innerhalb eines einzigen Ticks mit der Secure-World-Referenzzeit ausgerichtet.
Overhead:
- CPU-Zyklen: Der Secure-Handler fügt einen minimalen Overhead hinzu (~120 Zyklen bei FreeRTOS, ~172 bei Zephyr).
- Codegröße: Die Implementierung fügt der Secure World nur ~118 Zeilen Code (FreeRTOS) oder ~280 Zeilen (Zephyr) hinzu.
- Latenz: Auf Plattformen mit gemeinsam genutztem SysTick ist keine beobachtbare Erhöhung der Interrupt-Latenz feststellbar.
Auswirkung auf Regelsysteme:
- Unkompensiert: In einem DC-Motorgeschwindigkeitsregelungsexperiment führte unkorrigierte Drift dazu, dass der Root Mean Square Error (RMSE) von 6,55 auf 8,02 rad/s anstieg. In einem Positionsregelungsexperiment verursachte eine einzelne verpasste Auslösung eine maximale Positionsabweichung von 56 mrad (3,21°).
- Kompensiert: Mit aktiviertem Mechanismus entsprach die Leistung des Regelsystems exakt dem Basiswert (ohne Störung), was beweist, dass der Mechanismus Echtzeit-Garantien bewahrt.

5. Bedeutung

Diese Arbeit ist bedeutend, da sie eine kritische Lücke bei der Bereitstellung von TEEs in sicherheitskritischen, echtzeitfähigen eingebetteten Systemen schließt.

Sicherheitsgewährleistung: Sie demonstriert, dass TEEs mit harten Echtzeitanforderungen koexistieren können, ohne die Systemsicherheit oder die Stabilität von Regelkreisen zu beeinträchtigen.
Praktikabilität: Da keine Hardware-Modifikationen und keine Änderungen an bestehenden RTOS-Kernels erforderlich sind, ist die Lösung sofort auf aktuellen TrustZone-M-Geräten einsetzbar.
Paradigmenwechsel: Sie hinterfragt die Annahme, dass sichere atomare Ausführung für den Rest des Systems „transparent" ist, und hebt hervor, dass Zeitmessung eine gemeinsame Ressource ist, die eine explizite Synchronisation über Sicherheitsdomänen hinweg erfordert.

Zusammenfassend bietet das Papier eine robuste, low-overhead-Lösung für eine bisher unbehandelte Schwachstelle in TrustZone-M-Architekturen und stellt sicher, dass Sicherheitsdienste die zeitliche Korrektheit von Echtzeitanwendungen nicht unbeabsichtigt verschlechtern.