Securing Filesystems for Confidential Computing

Na era digital moderna, acostumamo-nos com a ideia de que nossos dados estão seguros na nuvem. Confiamos que, ao salvar um arquivo ou atualizar um banco de dados, ele permanecerá exatamente como o deixamos, protegido de olhares curiosos e de perdas acidentais. No entanto, uma lacuna fundamental existia nessa confiança. Embora novas tecnologias chamadas "computação confidencial" tenham surgido para trancar a memória onde o computador está pensando ativamente, elas deixam o disco rígido vulnerável. Imagine um cofre onde o cofre interno é impenetrável, mas o corredor que leva a ele é controlado por um estranho que pode trocar seus documentos, reescrever a história ou substituir sua versão atual por uma antiga sem que você saiba. Esta é a realidade para aplicações que rodam em ambientes seguros hoje: seus cálculos estão protegidos, mas o armazenamento no qual dependem pode ser manipulado por um provedor de nuvem malicioso ou um administrador de sistema comprometido.

O desafio, então, é construir um sistema que proteja os dados no disco com o mesmo fervor que os dados na memória, sem desacelerar o computador ou forçar programadores a reescreverem seu software. Uma equipe de pesquisadores da Microsoft Azure, do Imperial College London e de outras instituições abordou este problema criando uma nova maneira de gerenciar o armazenamento de arquivos. Eles desenvolveram um sistema chamado SHIELDFS, que atua como um guardião para dados persistentes, garantindo que o que é lido do disco é exatamente o que foi escrito, e que ninguém voltou secretamente no tempo para um estado anterior. O trabalho deles, implementado como uma versão específica de um popular sistema de arquivos de código aberto chamado ZFS, demonstra que é possível proteger o armazenamento até mesmo contra os atacantes mais poderosos, mantendo velocidades quase idênticas às de sistemas padrão não seguros.

O cerne do problema reside em como os computadores lidam com dados ao longo do tempo. Quando uma aplicação salva informações, ela as escreve em um disco. Em um ambiente seguro, a memória do computador está trancada, mas o disco é frequentemente gerenciado pelo provedor de nuvem. Um provedor desonesto poderia, teoricamente, registrar o estado de um disco em um momento específico e, mais tarde, se a aplicação tentar atualizar esses dados, o provedor poderia simplesmente substituir a nova versão pela versão antiga registrada. Isso é conhecido como um ataque de rollback (reversão). A aplicação leria os dados antigos, acreditando serem atuais, levando a erros, perda de transações ou bancos de dados corrompidos. As soluções existentes ou exigiam que o próprio armazenamento fosse confiável (o que anula o propósito da segurança na nuvem), impunham penalidades pesadas de desempenho que tornavam os sistemas lentos demais para serem úteis, ou forçavam desenvolvedores a construir verificações de segurança personalizadas em cada aplicação individual — um processo tedioso e propenso a erros.

Para resolver isso, os pesquisadores projetaram um sistema que trata o sistema de arquivos como uma cadeia de eventos verificados. Em vez de apenas armazenar arquivos, o sistema cria uma "impressão digital" criptográfica para cada alteração feita nos dados. Quando um dado é escrito, o sistema calcula um código único baseado nesses dados e no histórico de alterações que vieram antes dele. Esse código é então armazenado junto com os dados. Crucialmente, o sistema também mantém um registro muito pequeno e seguro da última "impressão digital" válida em um local separado e confiável que o atacante não pode tocar. Este local confiável atua como um ponto de verificação (checkpoint). Sempre que o computador reinicia ou tenta ler dados, ele verifica a impressão digital no disco contra a impressão digital no checkpoint confiável. Se o atacante tiver trocado o disco por uma versão antiga ou alterado os dados, as impressões digitais não coincidirão e o sistema saberá imediatamente que algo está errado, recusando-se a carregar os dados corrompidos.

Os pesquisadores construíram uma versão funcional deste sistema, que nomearam SHIELDZFS, estendendo um sistema de arquivos existente e amplamente utilizado chamado ZFS. Eles não precisaram mudar a forma fundamental como o sistema de arquivos organiza os dados no disco; em vez disso, adicionaram uma camada de verificação que roda dentro da memória segura do computador. Esta camada garante que, toda vez que um dado é escrito, um novo elo inquebrável é adicionado à cadeia de história. Eles também criaram um serviço leve, que chamam de "registro", que roda em seu próprio ambiente seguro para manter as impressões digitais válidas mais recentes para muitos sistemas de arquivos diferentes ao mesmo tempo. Este registro é projetado para ser rápido e confiável, capaz de lidar com milhares de requisições por segundo com um atraso de menos de um milissegundo, garantindo que as verificações de segurança não se tornem um gargalo.

Para testar sua criação, a equipe realizou uma série de experimentos rigorosos usando benchmarks padrão e aplicações do mundo real, como servidores de banco de dados e servidores de arquivos. Eles compararam seu sistema seguro com sistemas de arquivos padrão e outras ferramentas de segurança. Os resultados mostraram que o SHIELDZFS detectou com sucesso todos os tipos de manipulação que simularam, incluindo tentativas de rollback de dados, reprodução de versões antigas ou criação de cópias conflitantes do sistema de arquivos. Em termos de velocidade, o sistema seguro teve um desempenho notável. Para a maioria das tarefas, foi quase tão rápido quanto a versão padrão não segura do sistema de arquivos. Nos cenários mais exigentes, onde os dados precisavam ser escritos e confirmados instantaneamente, foi apenas cerca de 1,7 vezes mais lento que a versão padrão, uma compensação que muitas organizações preocupadas com a segurança considerariam aceitável. Em contraste, outros métodos de segurança testados foram significativamente mais lentos, às vezes até cinco vezes mais lentos, tornando-os impraticáveis para necessidades de alto desempenho.

Os pesquisadores também exploraram como este sistema poderia funcionar junto com softwares existentes que já possuem algumas funcionalidades de segurança. Eles descobriram que, ao usar seu sistema seguro apenas para as partes mais críticas de um banco de dados — os logs que registram as alterações — e usar um sistema de arquivos padrão e mais rápido para o restante dos dados, poderiam alcançar o melhor dos dois mundos. Essa abordagem híbrida permitiu manter alta segurança para os dados mais importantes enquanto mantinham o sistema geral rápido e responsivo. O estudo confirma que é possível construir um sistema de arquivos que seja resiliente contra um provedor de nuvem malicioso sem exigir uma reformulação completa do software que o utiliza. Ao transformar o sistema de arquivos em uma estrutura de autoverificação e ancorá-la a um checkpoint externo confiável, os pesquisadores forneceram um caminho prático para assegurar os dados na nuvem, garantindo que o que é salvo é exatamente o que é recuperado, não importa quem controle o hardware.