Enforcing Attestable Workflows across Untrusted Networks
JANUS 是一种高性能架构，它通过采用拆分式可信计算基设计，在不可信网络上联邦化了可信执行环境，通过将密钥释放锚定于硬件度量并将强制执行置于内核中执行，实现了具有极低延迟开销的原生速度加密路由。
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在现代数字世界中，一些最有价值的工作发生在云端。分析医学图像的科学家、训练人工智能的研究人员以及模拟气候模式的工程师，通常需要结合来自许多不同计算机的数据，而这些计算机有时由不同的机构所有。为了保持这些工作的私密性，他们依赖于一种特殊的硬件，这种硬件在计算机处理器内部创建一个安全的、锁定的房间。这项技术被称为可信执行环境（trusted execution environment），它确保即使计算机的操作系统遭到破坏，这个锁定房间内的数据仍然保持隐藏。然而，当这些锁定房间需要在互联网上相互通信时，产生了一个新问题。传统的安全通信方法往往迫使数据在每一步都要进行解密和重新加密，这会降低运行速度，或者要求完全重写软件以适应特定的安全模型。挑战在于，如何在保持数据在这些安全房间之间传输时处于锁定状态的同时，又不减慢科学家们需要移动的海量信息的处理速度。
一个研究团队开发了一种名为 Janus 的新系统来解决这个特定问题。该系统旨在让安全的计算机能够以全速进行通信，同时证明它们确实是其声称的身份，并且正在遵循规则。研究人员构建该系统是为了配合最新一代的安全硬件，特别是英特尔的 TDX 技术，该技术为整个虚拟机创建了这些“锁定房间”。Janus 的核心思想是将安全任务拆分为两个部分。一部分负责处理证明身份和交换密钥等繁重工作，另一部分则负责实际的数据移动。通过将数据处理功能移入计算机的核心深处，使其能够以硬件本身的速度运行，该系统避免了以往安全软件在操作系统之上运行时那种缓慢且笨拙的步骤。
为了测试其效果如何，研究人员使用三十两台强大的云端计算机搭建了一个大型实验。他们创建了一个模拟环境，其中的计算机需要共享敏感数据，就像一个在共同项目中协作的科学家团队一样。该系统的运作方式是：首先让计算机通过一种特殊的“握手”向彼此证明身份。这种握手涉及硬件生成一份关于其当前状态的、唯一的、不可伪造的报告。如果报告符合预期的规则，计算机就会交换一个秘密密钥来锁定它们的对话。一旦完成初始设置，数据便开始流动。研究人员发现，该系统处理这些加密流量时几乎没有延迟。对于网络中移动的每一个数据包，系统增加的延迟仅为六微秒。这是一个极其微小的时间量，意味着计算机处理数据的速度几乎与发送未加密数据时一样快。
结果显示，这种新方法与旧方法之间存在显著差异。当研究人员将 Janus 与依赖于用户空间运行软件的现有系统进行比较时，旧系统明显更慢。那些传统方法为每个数据包增加的延迟在 137 到 147 微秒之间，比新系统慢了二十多倍。在一次涉及移动超过 1GB 数据的复杂机器学习任务的真实世界测试中，新系统仅使总过程减慢了 6.1%。相比之下，旧方法使同样的任务减慢了 62%。对于运行数小时或数天的科学工作流来说，这种效率至关重要，因为即使是微小的延迟也会累积成显著的时间和计算能力损失。
该系统在启动阶段也表现得非常迅速。在模拟的一百台计算机网络中，整个群体能够在不到一秒半的时间内建立起安全连接并开始工作。这种速度是通过在不同机器之间并行运行身份检查，而不是等待它们逐一发生来实现的。研究人员还测试了系统处理错误或网络变化的能力。如果一台计算机尝试连接错误的软件，或者安全规则发生了变化，系统会立即阻断连接，而不会导致崩溃或泄露数据。它被设计得具有韧性，这意味着如果一台计算机发生故障或网络出现临时故障，其余系统仍能继续工作，且故障连接可以在问题解决后快速重新建立。
这项研究最重要的方面之一在于该系统“不做”什么。研究人员明确展示了他们的方法不需要科学家重写其程序。该系统是透明运行的，这意味着在计算机上运行的应用无需知道自己正在被保护。安全操作发生在底层，即网络层，对用户而言是不可见的。这与那些强制开发者修改代码以适配特定安全模型的其他安全框架有着显著区别。通过保持应用程序不变，该系统允许现有的科学工具在无需修改的情况下即可在安全环境中运行。
研究还强调了当前技术的局限性。虽然该系统在计算机连接到少数其他计算机的网络中表现出色，但研究人员发现，如果每台计算机都试图同时连接到所有其他计算机，初始设置将会显著变慢。这是因为用于生成身份报告的硬件在处理并发请求时存在限制。对于研究人员所设想的大规模科学流水线（其中数据按特定路径流动而非混乱的网络），这一限制并不构成问题。该系统针对这些长期运行的、结构化的工作流进行了优化，确保安全性不会成为瓶颈。
最终，这项工作证明了构建一个既能实现机密计算又能保证高速运行的安全网络是可能的。研究人员表明，通过仔细设计安全检查与数据移动之间的交互方式，他们可以达到此前被认为难以实现的平衡。该系统提供了一种方法，让各机构能够在不信任的网络中共享敏感数据，同时确信数据始终处于加密状态且参与者身份已验证，同时保持现代高性能计算所需的运行速度。这为更具协作性的科学研究打开了大门，使各机构能够在不损害数据隐私或工作效率的前提下，共同解决敏感问题。
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