论文分享｜USENIX ATC 2022：TEE创新研究成果HyperEnclave

计算机系统领域国际顶级学术会议USENIX ATC 2022年度会议在美国卡尔斯巴德举行，蚂蚁隐私计算创新TEE技术研究成果《HyperEnclave: An Open and Cross-platform Trusted Execution Environment》被收录并做报告。USENIX ATC是中国计算机学会（CCF）推荐A类系统会议，至今已成功举办30多届，吸引了来自全球的顶级名校及科技公司参与，今年共收到393篇投稿，收录文章64篇，接收率仅16.28%。

一、摘要：

可信执行环境（Trusted Execution Environment，TEE）可用于实现数据处理过程中的敏感数据保护，是隐私计算主流技术路线之一。TEE 利用硬件隔离机制，将受保护的数据放在隔离的环境中处理（通常被称为 enclave），使数据免受 OS 管理员级别的攻击和物理攻击。但是，目前市场上主流的 TEE 技术（如 Intel SGX、AMD SEV）存在绑定硬件平台、源代码不开放、可信根被CPU 厂商主导、仅支持单一运行模式而灵活性不足等问题。以 Intel SGX 为例，该技术仅在特定型号的 Intel CPU 上可用，且enclave 只能运行在用户态，不能管理如页表、IDT 等特权资源，使得运行特定的任务会带来显著的性能下降。

本工作提出的 HyperEnclave，具有最小硬件需求（硬件虚拟化和 TPM）、兼容 SGX 生态、灵活的 enclave 模式等特点。首先，HyperEnclave利用广泛支持的虚拟化技术构建安全边界，可支持当前主流硬件架构，如X86 架构，包含AMD/Hygon, Intel CPU等，也可以扩展到ARM 体系结构，从而避免了绑定特定硬件平台。另外，HyperEnclave基于TPM构建可信根，实现可信根与CPU厂商的解耦。最后，HyperEnclave 兼容已有SGX工具链和应用生态，并可以针对不同的应用场景提供灵活可配置的TEE运行模式。

HyperEnclave 基于AMD CPU完成POC验证，成功支持在AMD 平台上安全可信的运行SGX应用，且在SQLite、Lighttpd、Redis等典型工作负载下均表现出良好的性能，例如SQLite仅引入5% 的开销。比实现同等安全级别下Intel SGX引入的开销更小。

二、方法：

架构设计

在HyperEnclave 中，RustMonitor 是一个轻量级 hypervisor，运行在最高特权级，仅用于管理 enclave 内存、保证内存隔离、控制enclave 状态切换。而复杂的资源管理会交给 guest 模式下的 Primary OS 处理。此外，enclave 也运行在 guest 模式，但会根据应用需求运行在 guest 用户态或是 guest 特权态。针对不同TEE应用特点，HyperEnclave提供了三种enclave运行模式GU-Enclave、P-Enclave、HU-Enclave，可灵活地适应计算密集型、I/O密集型、内存密集型和垃圾回收密集型的应用需求。对于开发者，HyperEnclave 兼容 Intel SGX SDK，现有 SGX 应用无需少量修改代码即可迁移到HyperEnclave。

灵活的运行模式

针对TEE典型应用特点，HyperEnclave提供了三种Enclave运行模式，可更好地适应计算密集型、I/O密集型、内存密集型和异常处理密集型的应用需要。

不同需求的应用场景

HyperEnclave 三种运行模式

兼容SGX生态

在开发环节，HyperEnclave提供了SGX 硬件抽象，以兼容SGX工具链和应用开发生态，如: Rust SGX SDK, Occlum LibOS等，已有的SGX应用无需或少量修改代码即可迁移到HyperEnclave。

HyperEnclave 模拟SGX ISA 指令

三、性能

隐私计算技术当前一大挑战是，安全性的提升往往带来性能的下降，二者较难兼顾。在TEE应用负载性能测试中，HyperEnclave 在计算密集型(NBench)，内存密集型(SQLite)，I/O密集型(lighttpd)，混合型(Redis)等不同属性的工作负载下均表现出良好的性能。同时，针对不同的应用场景，各种灵活的运行模式也体现出更好的性能表现。

TEE应用负载性能测试

四、应用

HyperEnclave是蚂蚁隐私计算一体机的核心技术，近日通过了北京国家金融科技认证中心认证。TEE功能（CA与TA交互、数据存储、加密解密算法等）、TEE安全（硬件安全、系统软件层安全等）47个项目全部通过检测，达到了金融级产品的功能和安全标准。

目前隐语 TEE 底座采用了 Occlum + HyperEnclave 技术，以支持应用运行在不同的 TEE 硬件上（Intel SGX，AMD SEV），业务可以根据实际情况选择特定 TEE 硬件，以满足其合规性要求。HyperEnclave也在蚂蚁链智能合约，辅助网商银行与外部合作机构的数据融合等场景有成熟应用，助力业务数据安全流通。

隐语官网：

https://www.secretflow.org.cn

隐语社区：

https://github.com/secretflow

https://gitee.com/secretflow

联系我们：

公众号：隐语的小剧场

B站：隐语secretflow

邮箱：[e-mail]