Asylo от Google: как работать с новым фреймворком

Asylo от Google: как работать с новым фреймворком

  • Переводы,
Обложка поста

Перевод статьи «Asylo Quickstart Guide»

Как мы писали ранее, Google анонсировала новый фреймворк, который позволяет выносить часть функциональности приложения в защищённую среду выполнения, называемую анклав. В данной статье разберёмся, как использовать этот фреймворк.

Что такое анклав

В традиционных системах ядро ОС имеет неограниченный доступ к аппаратным ресурсам машины. Ядро обычно предоставляет большинство прав доступа root-пользователю без каких-либо ограничений. Кроме того, root-пользователь может расширять или изменять ядро в запущенной системе. В результате, если злоумышленник сможет выполнить код с root-привилегиями, он сможет скомпрометировать все секретные данные и обойти все политики безопасности на машине.

Анклавы — это новая парадигма, которая меняет положение дел. Анклав — это особый контекст выполнения, в котором код может работать будучи защищённым даже от ядра ОС. Это значит, что даже пользователь с root-правами не сможет извлечь секреты анклава или поставить под угрозу его целостность. Такая защита обеспечивается с помощью технологий аппаратной изоляции, таких как Intel SGX или ARM TrustZone, или даже с помощью дополнительных программных уровней, таких как гипервизор. Эти технологии позволяют создавать новые формы изоляции за пределами обычного разделения ядро-пользователь.

Новые функции безопасности привлекательны для разработчиков защищённых приложений, но на практике существует большая разница между наличием возможностей и разработкой приложений, которые используют эту возможность. Для создания полезных приложений в анклаве требуются инструменты для создания, загрузки и управления анклавами. Для полноценной работы в анклаве требуется поддержка языков программирования и доступ к библиотекам основных платформ.

Что такое Asylo

Asylo — это open-source фреймворк для разработки приложений в анклаве. Он определяет абстрактную модель анклава, которую можно привязать к различным анклавным технологиям (например, анклавный бэкенд). Asylo предоставляет платформу для разработки программного обеспечения, которая поддерживает всё более широкий спектр вариантов использования.

Конференция Volga cyber security

25–26 сентября, Тольятти, беcплатно

tproger.ru

События и курсы на tproger.ru

Далее мы шаг за шагом напишем простой анклав. В примере будет показана инициализация анклава, передача аргументов коду, работающему внутри анклава, и возвращение результатов. Несмотря на то, что это довольно простой пример, он демонстрирует основную функциональность Asylo и шаги, которым нужно следовать для использования этой функциональности.

Начало работы

Запустите следующие команды, чтобы загрузить наш Docker-контейнер и исходники, которые мы будем использовать Прочитайте README для дополнительных инструкций по использованию Docker.

docker pull gcr.io/asylo-framework/asylo
MY_PROJECT=~/asylo-examples
mkdir -p "${MY_PROJECT}"
wget -q -O - https://asylo.dev/asylo-examples.tar.gz | \
    tar -zxv --directory "${MY_PROJECT}"

На месте MY_PROJECT вы можете указать любую директорию. Эта переменная среды затем будет использоваться в инструкциях по созданию и запуску приложения в анклаве.

Примеры кода можно найти в репозитории Asylo SDK на GitHub.

Общий подход

В Asylo анклав работает в контексте пользовательского приложения. Тем не менее, по соображениям безопасности и компактности, Asylo не поддерживает прямое взаимодействие кода анклава и ОС. Вместо этого для всех таких взаимодействий требуется посредник в виде кода, который работает за пределами анклава. Такой код мы называем недоверенным приложением, в то время как код, запущенный в анклаве, называем доверенным приложением или просто анклавом.

В данном гайде мы фокусируемся на модели, где основная часть пользовательской логики находится внутри анклава. В этой модели разработчику возможно придётся написать определённое количество шаблонного кода (похожего на тот, что будет далее  этой статье), однако большая часть кода, необходимого для создания, запуска и взаимодействия с анклавами предусмотрена фреймворком Asylo.

Asylo использует объектно-ориентированный подход к разработке приложений в анклаве. По сути анклав представляет собой набор частных данных и логики вместе с публичными методами для доступа к ним. С этой целью Asylo создаёт анклав, используя TrustedApplication, абстрактный класс, определяющий разные точки входа в анклав. Для реализации приложения в анклаве разработчику нужно создать подкласс TrustedApplication и реализовать соответствующие методы.

В этой статье мы будем ссылаться на экземпляр TrustedApplication, называя его как «доверенное приложение», так и «анклав».

Модель взаимодействия анклавов

В Asylo анклавы работают с protocol-buffer сообщениями; все входы и выходы анклава представляют собой protocol buffer.

Процесс перехода с ненадёжного приложения к анклаву мы назовём входом в анклав, а обратный процесс — выходом из анклава.

В Asylo все анклавные взаимодействия обрабатываются через абстрактный класс EnclaveClient. Asylo предоставляет конкретные реализации этого класса для всех поддерживаемых анклавных технологий. В классе EnclaveClient определено несколько методов для входа в анклав. С другой стороны, выход из анклава проходит неявно — это происходит автоматически, когда анклав завершает работу или когда анклав обращается к службам операционной системы.

Среди множества методов входа в анклав, определённых интерфейсом EnclaveClient, три представляют особый интерес для пользователей Asylo:

  • EnterAndInitialize: Этот метод принимает сообщение EnclaveConfig, которое содержит основные настройки конфигурации анклава, и передаёт его в анклав. Это приватный метод и он неявно вызывается фреймворком Asylo при загрузке бинарного образа анклава.
  • EnterAndRun: Этот метод принимает сообщение EnclaveInput и передаёт его в анклав, который в результате может вернуть EnclaveOutput. Сообщения EnclaveInput и EnclaveOutput можно расширить с помощью protobuf-расширений для удовлетворения требований к обработке данных в приложении. Этот метод публичный и его можно вызывать произвольное количество раз с разными входными данными после инициализации анклава.
  • EnterAndFinalize: Этот метод принимает сообщение EnclaveFinal, в котором может содержаться информация, необходимая для финализации анклава, и передаёт это сообщение анклаву прямо перед его уничтожением. Это приватный метод класса EnclaveClient, который неявно вызывается фреймворком при уничтожении анклава.

Каждый EnclaveClient связан ровно с одним анклавом и Asylo передаёт вызовы к методам EnclaveClient соответствующим методам анклава в соответствующем экземпляре TrustedApplication, который может быть переопределён пользователем анклава.

В интерфейсе TrustedApplication объявлены методы, соответствующие трём входным методам, определённым абстрактным классом EnclaveClient:

  • Initialize: Этот метод принимает сообщение EnclaveConfig из EnclaveClient::EnterAndInitialize и инициализирует анклав, используя настройки конфигурации в EnclaveConfig.
  • Run: Этот метод принимает сообщение EnclaveInput из EnclaveClient::EnterAndRun, возвращает сообщение EnclaveOutput и проводит доверенное выполнение.
  • Finalize: Этот метод принимает сообщение EnclaveFinal из EnclaveClient::EnterAndFinalize и готовит анклав к уничтожению.

Жизненный цикл анклава

Вход в анклав аналогичен системному вызову. Точка входа в анклав представляет собой интерфейс для защищённого кода с доступом к ресурсам анклава. Аргументы копируются в защищённую память анклава при входе, а результаты копируются при выходе.

DEFINE_string(enclave_path, "", "Path to enclave binary image to load");
DEFINE_string(message, "", "Message to encrypt");

int main(int argc, char *argv[]) {
  google::ParseCommandLineFlags(&argc, &argv, /*remove_flags=*/true);

  LOG_IF(QFATAL, FLAGS_message.empty()) << "Empty --message flag";

  // Инициализация

  asylo::EnclaveManager::Configure(asylo::EnclaveManagerOptions());
  auto manager_result = asylo::EnclaveManager::Instance();
  LOG_IF(QFATAL, !manager_result.ok()) << "Could not obtain EnclaveManager";

  asylo::EnclaveManager *manager = manager_result.ValueOrDie();
  asylo::SimLoader loader(FLAGS_enclave_path, /*debug=*/true);
  asylo::Status status = manager->LoadEnclave("demo_enclave", loader);
  LOG_IF(QFATAL, !status.ok()) << "LoadEnclave failed with: " << status;

  // Безопасное выполнение

  asylo::EnclaveClient *client = manager->GetClient("demo_enclave");
  asylo::EnclaveInput input;
  SetEnclaveUserMessage(&input, FLAGS_message);

  asylo::EnclaveOutput output;
  status = client->EnterAndRun(input, &output);
  LOG_IF(QFATAL, !status.ok()) << "EnterAndRun failed with: " << status;

  // Финализация

  asylo::EnclaveFinal final_input;
  status = manager->DestroyEnclave(client, final_input);
  LOG_IF(QFATAL, !status.ok()) << "DestroyEnclave failed with: " << status;

  return 0;
}

В коде выше показаны три точка входа в анклав. Давайте пройдёмся по каждой части кода.

Инициализация

Недоверенное приложение выполняет следующие шаги для инициализации доверенного:

  1. Настраивает экземпляр EnclaveManager с параметрами по умолчанию. EnclaveManager обрабатывает все ресурсы анклава в недоверенном приложении.
  2. Настраивает объект SimLoader для получения бинарного образа анклава с диска.
  3. Вызывает EnclaveManager::LoadEnclave, чтобы привязать анклав к имени "demo enclave". Затем неявно вызывается метод анклава Initialize.

Безопасное выполнение

Недоверенное приложение выполняет следующие шаги для безопасного выполнения рабочей нагрузки в доверенном приложении:

  1. Получает дескриптор анклава через EnclaveManager::GetClient.
  2. Передаёт произвольные входные данные в EnclaveInput. В этом примере используется строковое protobuf-расширение для сообщения EnclaveInput. Поле этого расширение используется для передачи данных анклаву для шифрования.
  3. Вызывает анклав с помощью EnclaveClient::EnterAndRun. Этот метод является основной точкой входа, используемой для отправки сообщений в анклав. Его можно вызывать произвольное число раз.
  4. Получает результат из анклава в EnclaveOutput. Разработчики могут добавить protobuf-расширения к сообщению EnclaveOutput для предоставления произвольных выходных значений из их анклава.

Финализация

Недоверенное приложение выполняет следующие шаги для финализации доверенного приложения:

  1. Передаёт произвольные данные финализации в анклав и уничтожает анклав с помощью EnclaveManager::DestroyEnclave.
  2. Запускает метод анклава Finalize. Фреймворк Asylo неявно выполняет этот шаг во время уничтожения анклава.

Пишем приложение в анклаве

Мы уже знаем, как инициализировать, запускать и финализировать анклав с помощью Asylo. Эти вызовы происходили на недоверенной стороне анклава. Теперь давайте посмотрим на код на доверенной стороне.

constexpr size_t kMaxMessageSize = 1 << 16;

// Dummy 128-bit AES key.
constexpr uint8_t kAesKey128[] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05,
                                  0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x10, 0x11,
                                  0x12, 0x13, 0x14, 0x15};

// Encrypts a message against `kAesKey128` and returns a 12-byte nonce followed
// by authenticated ciphertext, encoded as a hex string. `message` must be less
// than or equal to `kMaxMessageSize` in length.
const StatusOr EncryptMessage(const string &message) {
  AesGcmSivCryptor cryptor(kMaxMessageSize, new AesGcmSivNonceGenerator());

  CleansingVector key(kAesKey128, kAesKey128 + arraysize(kAesKey128));
  CleansingString additional_authenticated_data;
  CleansingString nonce;
  CleansingString ciphertext;

  Status status = cryptor.Seal(key, additional_authenticated_data, message,
                               &nonce, &ciphertext);
  if (!status.ok()) {
    return status;
  }

  return absl::BytesToHexString(absl::StrCat(nonce, ciphertext));
}

class EnclaveDemo : public TrustedApplication {
 public:
  EnclaveDemo() = default;

  Status Run(const EnclaveInput &input, EnclaveOutput *output) {
    string user_message = GetEnclaveUserMessage(input);

    StatusOr result = EncryptMessage(user_message);
    if (!result.ok()) {
      return result.status();
    }

    std::cout << "Encrypted message:" << std::endl
              << result.ValueOrDie() << std::endl;

    return Status::OkStatus();
  }

  const string GetEnclaveUserMessage(const EnclaveInput &input) {
    return input.GetExtension(guide::asylo::enclave_input_demo).value();
  }
};

В коде выше определяется класс EnclaveDemo, который наследуется от TrustedApplication, и реализуется логика безопасного выполнения анклава в методе Run. Этот метод шифрует входное сообщение и выводит зашифрованный текст.

Класс TrustedApplication предоставляет реализации методов Initialize, Run, и Finalize по умолчанию. Предполагается, что создатель анклава переопределит эти методы должным образом для реализации логики анклава. Как показано в этом примере, создатель анклава обычно переопределяет метод TrustedApplication::Run для обеспечения анклава основной логикой и использует этот метод для взаимодействия с анклавом. В качестве альтернативы создатель анклава может запустить RPC-сервер (например, gRPC-сервер) в методе TrustedApplication::Initialize и затем взаимодействовать с анклавом через сервер. В этом случае разработчик может не переопределять метод TrustedApplication::Run. Фреймворк Asylo гибкий и позволяет разработчикам использовать анклавы наиболее удобным для них способом.

Пишем и запускаем приложение в анклаве

Asylo реализует анклавный бэкенд для среды, основанной на симуляторах. Чтобы написать приложение в анклаве, мы должны объявить несколько объектов, которые будут использовать этот бэкенд.

asylo_proto_library(
    name = "demo_proto",
    srcs = ["demo.proto"],
    deps = ["@com_google_asylo//asylo:enclave_proto"],
)

sim_enclave(
    name = "demo_enclave",
    srcs = ["demo_enclave.cc"],
    deps = [
        ":demo_proto_cc",
        "@com_google_asylo//asylo:enclave_runtime",
    ],
)

debug_enclave_driver(
    name = "quickstart",
    srcs = ["demo_driver.cc"],
    enclaves = [":demo_enclave"],
    deps = [
        ":demo_proto_cc",
        "@com_google_asylo//asylo:enclave_client",
        "@com_github_gflags_gflags//:gflags_nothreads",
        "@com_google_asylo//asylo/util:logging",
    ],

Показанный выше файл Bazel BUILD определяет логику нашего анклава в sim_enclave с именем demo_enclave. Этот объект содержит нашу реализацию TrustedApplication и связан с временем выполнения Asylo. Мы используем правило sim_enclave для создания анклава, который можно запустить в режиме симуляции.

Недоверенным компонентом является demo_driver, который содержит код для обработки логики инициализации, запуска и финализации анклава, а также отправки и получения сообщений через интерфейс анклава. В приложении вне анклава quickstart был бы cc_binary объектом, однако правило debug_enclave_driver упрощает сочетание объектов драйвера и анклава. В частности, оно гарантирует, что demo_driver.cc компилируется с помощью crosstool хоста, что зависимости данных анклава компилируются с помощью бэкенд-специфичного crosstool анклава и что demo_driver вызывается с флагом --enclave_path, который указывает путь к бинарному образу анклава.

Теперь давайте запустим демо-анклав внутри образа Docker, который мы скачали ранее. Вы можете установить флаг --message, который передаётся объекту //quickstart, со строкой, которую вы хотите зашифровать.

Примечание Следующая команда запускает анклав в режиме симуляции.

docker run -it \
    -v bazel-cache:/root/.cache/bazel \
    -v "${MY_PROJECT}":/opt/my-project \
    -w /opt/my-project \
    gcr.io/asylo-framework/asylo \
    bazel run --config=enc-sim //quickstart -- --message="Asylo Rocks"
Encrypted message:
2dc402068266ba995608e0d4a16c1604b792355d4635dec43cf2888cf2036d2007772ed5f24e5c

Поздравляем, вы написали и запустили своё первое приложение в анклаве!

Что делать дальше

Теперь вы знаете достаточно о Asylo для того, чтобы попробовать изменить приложение в анклаве. Вот что можно попробовать сделать:

  • Обратите внимание на то, что на данный момент мы никак не используем переменную output, переданную в EnterAndRun. Используйте SetEnclaveOutputMessage в demo_enclave.cc и GetEnclaveOutputMessage
    в demo_driver.cc, чтобы вернуть зашифрованное сообщение из анклава в драйвер и отобразить его. Вывод приложения не должен измениться.
  • Функцию EnterAndRun можно вызывать много раз после инициализации анклава. Измените demo_driver.cc, чтобы добавить ещё один вызов EnterAndRun с целью перезайти в анклав с другим сообщением для шифрования.
  • Используйте protobuf-расширения в сообщении EnclaveInput, чтобы добавить возможность отправки зашифрованного сообщения в анклав для дешифровки с помощью функции DecryptMessage.

Код доступен на GitHub.