Enforcing Attestable Workflows across Untrusted Networks
JANUS is een hoogwaardige architectuur die Trusted Execution Environments over onbetrouwbare netwerken federeren via een split Trusted Computing Base-ontwerp, waarbij het bereikt dat versleutelde routering met de oorspronkelijke snelheid en minimale latentieoverhead plaatsvindt door de vrijgave van sleutels te verankeren aan hardwaremetingen en handhaving binnen de kernel uit te voeren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de moderne digitale wereld vindt een deel van het meest waardevolle werk plaats in de cloud. Wetenschappers die medische beelden analyseren, onderzoekers die kunstmatige intelligentie trainen en ingenieurs die klimaatpatronen simuleren, moeten vaak gegevens combineren van veel verschillende computers, die soms eigendom zijn van verschillende organisaties. Om dit werk privé te houden, vertrouwen ze op speciale hardware die een beveiligde, afgesloten kamer binnen een computerprocessor creëert. Deze technologie, bekend als een trusted execution environment, zorgt ervoor dat zelfs als het besturingssysteem van de computer gecompromitteerd is, de gegevens in deze afgesloten kamer verborgen blijven. Echter, er ontstaat een nieuw probleem wanneer deze afgesloten kamers via het internet met elkaar moeten communiceren. Traditionele methoden voor het beveiligen van deze communicatie dwingen de gegevens vaak om bij elke stap te worden ontsleuteld en opnieuw te worden versleuteld, wat alles vertraagt, of ze vereisen dat de software volledig wordt herschreven om in een specifiek beveiligingsmodel te passen. De uitdaging is om de gegevens vergrendeld te houden terwijl ze tussen deze beveiligde kamers reizen, zonder de enorme hoeveelheden informatie te vertragen die wetenschappers moeten verplaatsen.
Een team van onderzoekers heeft een nieuw systeem ontwikkeld genaamd Janus om dit specifieke probleem op te lossen. Het systeem is ontworpen om beveiligde computers met volle snelheid met elkaar te laten communiceren, terwijl het tegelijkertijd bewijst dat ze zijn wie ze zeggen dat ze zijn en dat ze de regels volgen. De onderzoekers hebben dit systeem gebouwd om te werken met de nieuwste generatie beveiligde hardware, specifiek Intel's TDX-technologie, die deze afgesloten kamers voor volledige virtuele machines creëert. Het kernidee achter Janus is het opsplitsen van de taak van beveiliging in twee delen. Eén deel handelt de zware taken af van het bewijzen van identiteit en het uitwisselen van geheime sleutels, terwijl het andere deel de eigenlijke beweging van gegevens afhandelt. Door de gegevensverwerking diep in de kern van de computer te plaatsen, waar het kan opereren op de snelheid van de hardware zelf, vermijdt het systeem de trage, logge stappen die gewoonlijk optreden wanneer beveiligingssoftware bovenop het besturingssysteem draait.
Om te testen hoe goed dit werkt, hebben de onderzoekers een groot experiment opgezet met tweeëndertig krachtige computers in de cloud. Ze creëerden een gesimuleerde omgeving waarin deze computers gevoelige gegevens moesten delen, vergelijkbaar met een team van wetenschappers die aan een gezamenlijk project werken. Het systeem werkte door eerst de computers elkaars identiteit te laten bewijzen met behulp van een speciale handdruk. Deze handdruk hield in dat de hardware een uniek, onvervalsbaar rapport genereerde van de huidige staat. Als de rapporten aan de verwachte regels voldeden, zouden de computers een geheime sleutel uitwisselen om hun gesprek te vergrendelen. Zodra deze initiële configuratie voltooid was, begon de stroom van gegevens. De onderzoekers ontdekten dat het systeem dit versleutelde verkeer met bijna geen vertraging kon afhandelen. Voor elk pakketje gegevens dat door het netwerk bewoog, voegde het systeem slechts zes microseconden vertraging toe. Dit is een ongelooflijk kleine hoeveelheid tijd, wat betekent dat de computers gegevens konden verwerken met bijna dezelfde snelheid als wanneer ze deze zonder enige versleuteling zouden verzenden.
De resultaten toonden een scherp verschil tussen deze nieuwe aanpak en oudere methoden. Wanneer de onderzoekers Janus vergeleken met bestaande systemen die vertrouwen op software die in de user space draait, waren de oudere systemen aanzienlijk trager. Die traditionele methoden voegden een vertraging toe van tussen de 137 en 147 microseconden voor elk pakketje, wat meer dan twintig keer trager is dan het nieuwe systeem. In een realtime test met een complexe machine learning-taak die vereiste meer dan een gigabyte aan gegevens te verplaatsen, vertraagde het nieuwe systeem het totale proces met slechts 6,1 procent. In contrast hiermee vertraagden de oudere methoden dezelfde taak met 62 procent. Deze efficiëntie is cruciaal voor wetenschappelijke workflows die uren of dagen duren, waarbij zelfs een kleine vertraging kan leiden tot een aanzienlijk verlies van tijd en rekenkracht.
Het systeem bewees ook zeer snel op te starten. In een gesimuleerd netwerk van honderd computers was de hele groep in staat om beveiligde verbindingen tot stand te brengen en te beginnen met werken in minder dan anderhalf seconde. Deze snelheid werd bereikt door de identiteitscontroles parallel uit te voeren over de verschillende machines, in plaats van te wachten tot ze één voor één gebeurden. De onderzoekers testten ook hoe het systeem omging met fouten of veranderingen in het netwerk. Als een computer probeerde verbinding te maken met de verkeerde software of als de beveiligingsregels veranderden, blokkeerde het systeem de verbinding onmiddellijk zonder te crashen of gegevens te lekken. Het was ontworpen om veerkrachtig te zijn, wat betekent dat als een computer faalde of het netwerk een tijdelijke storing had, de rest van het systeem zou blijven werken en de mislukte verbinding snel opnieuw kon worden opgebeld zodra het probleem was opgelost.
Een van de belangrijkste aspecten van het onderzoek is wat het systeem niet doet. De onderzoekers hebben expliciet aangetoond dat hun aanpak niet vereist dat wetenschappers hun softwareprogramma's herschrijven. Het systeem werkt transparant, wat betekent dat de applicaties die op de computers draaien niet hoeven te weten dat ze worden beveiligd. De beveiliging vindt plaats onder de oppervlakte, in de netwerklaag, onzichtbaar voor de gebruiker. Dit is een significante afwijking van andere beveiligingsframeworks die ontwikkelaars dwingen hun code aan te passen om in een specifiek beveiligingsmodel te passen. Door de applicaties ongewijzigd te houden, maakt het systeem het mogelijk om bestaande wetenschappelijke tools te gebruiken in beveiligde omgevingen zonder modificatie.
De studie benadrukte ook de beperkingen van de huidige technologie. Hoewel het systeem zeer goed werkt voor netwerken waarbij computers met een klein aantal anderen verbinding maken, ontdekten de onderzoekers dat als elke computer tegelijkertijd met elke andere computer probeert verbinding te maken, de initiële configuratie aanzienlijk zou vertragen. Dit komt omdat de hardware die wordt gebruikt om de identiteitsrapporten te genereren een limiet heeft op hoeveel het tegelijkertijd kan verwerken. Voor de typen grootschalige wetenschappelijke pipelines die de onderzoekers voor ogen hadden, waarbij gegevens een specifiek pad volgen in plaats van een chaotisch web, was deze beperking geen probleem. Het systeem is geoptimaliseerd voor deze langlopende, gestructureerde workflows, waardoor wordt gewaarborgd dat de beveiliging geen bottleneck wordt voor de wetenschap.
Uiteindelijk demonstreert het werk dat het mogelijk is om een veilig, hoogwaardig netwerk voor vertrouwelijk computergebruik te bouwen dat geen prestaties opoffert voor veiligheid. De onderzoekers hebben aangetoond dat door zorgvuldig te ontwerpen hoe de beveiligingscontroles en de gegevensverplaatsing met elkaar interageren, zij een balans konden bereiken die voorheen als moeilijk bereikbaar werd beschouwd. Het systeem biedt een manier voor organisaties om gevoelige gegevens te delen over onbetrouwbare netwerken met de zekerheid dat de gegevens versleuteld blijven en de deelnemers geverifieerd zijn, terwijl de snelheid vereist voor moderne high-performance computing behouden blijft. Dit opent de deur naar meer collaboratief wetenschappelijk onderzoek, waarbij instellingen samen kunnen werken aan gevoelige problemen zonder de privacy van hun gegevens of de efficiëntie van hun werk in gevaar te brengen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.