Securing Filesystems for Confidential Computing

現代のデジタル時代において、私たちは自分のデータがクラウド内で安全であるという考えに慣れ親しんでいます。ファイルを保存したりデータベースを更新したりすれば、それは意図した通りの状態で残り、詮索や偶発的な紛失から守られていると信じています。しかし、この信頼には根本的な欠落が存在してきました。「コンフィデンシャル・コンピューティング」と呼ばれる新しい技術が登場し、コンピュータが実際に思考している最中のメモリを封じ込めることができるようになりましたが、それらはハードドライブの脆弱性を残したままです。金庫の中身は難攻不落であるものの、その金庫へと続く廊下を、あなたの書類をすり替えたり、歴史を書き換えたり、あるいは現在のバージョンを古いものに置き換えたりしても、あなたが気づくことさえできない見知らぬ者が管理している状況を想像してみてください。これが、今日のセキュアな環境で動作しているアプリケーションが直面している現実です。彼らの計算は保護されていますが、彼らが依存するストレージは、悪意のあるクラウドプロバイダーや侵害されたシステム管理者によって操作される可能性があるのです。

したがって、課題は、コンピュータの速度を低下させたり、プログラマーにソフトウェアの書き換えを強制したりすることなく、メモリ内のデータと同じくらい激しくディスク上のデータを保護するシステムを構築することです。Microsoft Azure、インペリアル・カレッジ・ロンドン、およびその他の機関の研究チームは、ファイルストレージを管理する新しい方法を開発することで、この問題に取り組みました。彼らは、永続的なデータの守護者として機能するSHIELDFSというシステムを開発しました。これは、ディスクから読み取られるものが書き込まれたものと全く同一であることを保証し、誰も密かに時間を巻き戻して以前の状態に戻していないことを保証します。彼らの研究は、ZFSと呼ばれる人気のあるオープンソース・ファイルシステムの特定のバージョンとして実装されており、標準的な未保護のシステムとほぼ同等の速度を維持しながら、最も強力な攻撃者に対してもストレージを保護できることを実証しています。

問題の核心は、コンピュータが時間の経過とともにデータをどのように扱うかという点にあります。アプリケーションが情報を保存するとき、それはディスクに書き込まれます。セキュアな環境では、コンピュータのメモリはロックダウンされていますが、ディスクは多くの場合、クラウドプロバイダーによって管理されています。不誠実なプロバイダーは、理論的には特定の時点でのディスクの状態を記録しておき、後でアプリケーションがそのデータを更新しようとした際に、単に新しいバージョンを記録された古いバージョンに置き換えることができます。これは「ロールバック攻撃」として知られています。アプリケーションは古いデータを現在のものだと信じて読み込んでしまい、エラーやトランザクションの消失、あるいはデータベースの破損につながります。既存のソリューションは、ストレージ自体を信頼する必要があったり（これはクラウドセキュリティの目的を台無しにします）、システムの利用を困難にするほどの重いパフォーマンス低下を強いたり、あるいは開発者にすべてのアプリケーションにカスタムセキュリティチェックを組み込むよう強いたり（これは退屈で間違いの起こりやすいプロセスです）していました。

これを解決するために、研究者たちはファイルシステム自体を「検証されたイベントの連鎖」として扱うシステムを設計しました。単にファイルを保存するのではなく、システムはデータの変更ごとに行われるすべての変更に対して、暗号学的な「指紋」を作成します。データが書き込まれるとき、システムはそのデータと、それに先立つ変更の履歴に基づいた一意のコードを計算します。このコードは、データの傍らに保存されます。極めて重要なのは、システムが、攻撃者が触れることのできない別の信頼できる場所に、最新の有効な「指紋」の非常に小さな安全な記録を保持していることです。この信頼できる場所はチェックポイントとして機能します。コンピュータが再起動したりデータを読み取ろうとしたりするたびに、システムはディスク上の指紋を信頼できるチェックポイント内の指紋と照合します。もし攻撃者がディスクを古いバージョンに差し替えたり、データを改ざんしたりしていれば、指紋が一致しなくなるため、システムは即座に異常を検知し、破損したデータのロードを拒否します。

研究者たちは、既存の広く利用されているZFSというファイルシステムを拡張することで、SHIELDZFSと名付けた動作可能なシステムを構築しました。彼らは、ファイルシステムがディスク上でデータを整理する根本的な方法を変更する必要はありませんでした。代わりに、コンピュータのセキュアなメモリ内で動作する検証レイヤーを追加しました。このレイヤーは、データが書き込まれるたびに、歴史の連鎖に新しい、壊すことのできないリンクが追加されることを保証します。また、彼らは、多くの異なるファイルシステムの最新の有効な指紋を保持するために、独自のセキュアな環境で動作する「レジストリ」と呼ばれる軽量なサービスを作成しました。このレジストリは高速かつ信頼性に優れており、毎秒数千のリクエストを処理し、遅延を1ミリ秒未満に抑えるように設計されており、セキュリティチェックがボトルネックにならないように配慮されています。

チームは、標準的なベンチマークや、データベースサーバーやファイルサーバーなどの実世界のアプリケーションを用いた一連の厳格な実験を行い、彼らの創造物をテストしました。彼らは、自らのセキュアなシステムを、標準的なファイルシステムや他のセキュリティツールと比較しました。結果は、SHIELDZFSが、データのロールバック、古いバージョンの再生、あるいはファイルシステムの競合するコピーの作成といった、シミュレートされたあらゆる種類の改ざんを検出することに成功したことを示しました。速度に関しては、このセキュアなシステムは驚くほど優れたパフォーマンスを発揮しました。ほとんどのタスクにおいて、標準的な未保護のバージョンのファイルシステムとほぼ同等の速度でした。最も負荷の高いシナリオ、つまりデータが即座に書き込まれ確認される必要がある場面でも、標準バージョンの約1.7倍遅いだけであり、これはセキュリティを重視する多くの組織にとって許容できるトレードオフです。対照的に、彼らがテストした他のセキュリティ手法は大幅に遅く、時には5倍も遅くなり、高性能なニーズには実用的ではないものでした。

研究者たちはまた、このシステムがすでにいくつかのセキュリティ機能を備えている既存のソフトウェアとどのように併用できるかについても調査しました。彼らは、データベースの最も重要な部分（変更を記録するログ）にのみこのセキュアなシステムを使用し、残りのデータには標準的で高速なファイルシステムを使用することで、両方の良い面を享受できることを見出しました。このハイブリッドなアプローチにより、最も重要なデータに対して高いセキュリティを維持しながら、システム全体の高速性と応答性を維持することができました。この研究は、使用するソフトウェアの完全な刷新を必要とせずに、悪意のあるクラウドプロバイダーに対して耐性を持つファイルシステムを構築することが可能であることを裏付けています。ファイルシステムを自己検証型の構造へと変え、それを信頼できる外部のチェックポイントに紐付けることで、研究者たちは、誰がハードウェアを制御していようとも、保存されたものが正確に回収されることを保証する、クラウドにおけるデータセキュリティへの実用的な道筋を示しました。