Securing Filesystems for Confidential Computing

在现代数字时代，我们已经习惯了数据在云端是安全的这一观念。我们相信，当我们保存一个文件或更新一个数据库时，它会保持原样，不受窥视或意外丢失的影响。然而，这种信任中一直存在着一个根本性的漏洞。虽然被称为“机密计算”（confidential computing）的新技术已经出现，能够锁定计算机正在进行思考（处理数据）的内存，但它们却让硬盘变得脆弱不堪。想象一下，一个保险库内部的保险箱坚不可摧，但通往保险箱的走廊却由一个陌生人控制，这个陌生人可以调换你的文件、重写历史，或者在你不经意间用旧版本替换当前版本。这就是当今运行在安全环境中的应用程序所面临的现实：它们的计算过程受到保护，但它们所依赖的存储却可能被恶意云服务提供商或受损的系统管理员所操纵。

因此，挑战在于如何构建一个系统，既能像保护内存中的数据一样严密地保护磁盘上的数据，又不会降低计算机的速度，或者迫使程序员重写他们的软件。来自微软 Azure、帝国理工学院及其他机构的研究人员通过创造一种新的文件存储管理方式解决了这一问题。他们开发了一个名为 SHIELDFS 的系统，该系统充当持久化数据的守护者，确保从磁盘读取的内容与写入的内容完全一致，并且没有人能秘密地将时间回滚到之前的状态。他们的工作通过实现为一个流行的开源文件系统 ZFS 的特定版本，证明了在保持与标准、未加密系统几乎相同的速度的同时，实现对存储的安全防护是可能的。

问题的核心在于计算机如何随时间处理数据。当应用程序保存信息时，它会将数据写入磁盘。在安全环境中，计算机的内存是被锁定的，但磁盘通常由云服务提供商管理。一个不诚实的提供商理论上可以记录磁盘在特定时刻的状态，随后，如果应用程序尝试更新该数据，提供商只需简单地用之前记录的快照替换新版本即可。这被称为“回滚攻击”（rollback attack）。应用程序会读取旧数据并误以为它是最新的，从而导致错误、交易丢失或数据库损坏。现有的解决方案要么要求存储本身必须是可信的（这违背了云安全的目的），要么会造成严重的性能惩租，使系统变得过于缓慢而无法使用，或者迫使开发者在每一个应用程序中都构建自定义的安全检查，这是一个繁琐且易出错的过程。

为了解决这个问题，研究人员设计了一个将文件系统本身视为一系列经过验证的事件的系统。该系统不仅仅是存储文件，还会为每一次数据的变更创建一个加密的“指纹”。每当一段数据被写入时，系统会根据该数据以及在此之前的变更历史计算出一个唯一的代码。然后，这个代码会被存储在数据旁边。至关重要的一点是，系统还在一个单独的、受信任的位置（该位置无法被攻击者触及）保留了一个非常小的、安全的最新有效“指纹”记录。这个受信任的位置充当了一个检查点。每当计算机重启或尝试读取数据时，它都会将磁盘上的指纹与受信任检查点中的指纹进行比对。如果攻击者用旧版本的磁盘替换了当前磁盘或篡改了数据，指纹将无法匹配，系统会立即察觉异常，并拒绝加载损坏的数据。

研究人员通过扩展现有的、广泛使用的 ZFS 文件系统，构建了一个名为 SHIELDZFS 的工作版本。他们不需要改变文件系统在磁盘上组织数据的基本方式；相反，他们在计算机的安全内存中添加了一个验证层。这一层确保了每次数据写入时，都会在历史链条中增加一个不可破坏的新环节。他们还创建了一个轻量级的服务，称为“注册表”（registry），该服务运行在自己的安全环境中，用于同时保存许多不同文件系统的最新有效指纹。该注册表旨在实现快速可靠，能够以每秒数千次请求的速度处理请求，且延迟小于一毫秒，确保安全检查不会成为性能瓶颈。

为了测试他们的成果，团队使用标准基准测试和真实世界的应用程序（如数据库服务器和文件服务器）进行了一系列严格的实验。他们将这个安全系统与标准的文件系统以及其他安全工具进行了对比。结果显示，SHIELDZFS 成功检测到了他们模拟的所有类型的篡改行为，包括尝试回滚数据、重放旧版本或创建冲突的文件系统副本。在速度方面，该安全系统的表现非常出色。对于大多数任务，它的速度几乎与标准的、未加密的版本的文件系统一样快。在最苛刻的场景下（即数据必须被即时写入并确认时），它仅比标准版本慢约 1.7 倍，对于许多注重安全的组织来说，这是一个可以接受的权衡。相比之下，他们测试的其他安全方法要慢得多，有时甚至慢了五倍，这使得它们在高性能需求面前显得不切实际。

研究人员还探讨了该系统如何与已经具备某些安全功能的现有软件协同工作。他们发现，通过仅将他们的安全系统用于数据库中最关键的部分（即记录变更的日志），而对剩余数据使用标准且更快的系统，他们可以实现两全其美。这种混合方法使他们能够在保持高度安全性的同时，维持整个系统的高速响应。这项研究证实，构建一个能够抵御恶意云服务提供商的文件系统是可能的，而且不需要对使用它的软件进行彻底的重构。通过将文件系统转变为一个自我验证的结构，并将其锚定到一个受信任的外部检查点，研究人员为保障云端数据安全提供了一条切实可行的路径，确保无论谁控制着硬件，所保存的数据都与检索到的数据完全一致。