【摘 要】
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随着云计算的迅速发展,越来越多的服务和数据部署到了云上,数据安全和隐私保护越发受到用户的重视,用户对云安全的呼声越发强烈。基于可信执行环境的机密计算技术,是云安全的主流解决方案之一。Intel SGX是目前广泛用于机密计算技术的可信执行环境,SGX允许应用程序运行在被称为飞地的可信执行环境中,能够保护正在使用的代码和数据。但是SGX在性能方面饱受诟病,其中,飞地在运行时可能产生大量飞地切换,飞地切
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随着云计算的迅速发展,越来越多的服务和数据部署到了云上,数据安全和隐私保护越发受到用户的重视,用户对云安全的呼声越发强烈。基于可信执行环境的机密计算技术,是云安全的主流解决方案之一。Intel SGX是目前广泛用于机密计算技术的可信执行环境,SGX允许应用程序运行在被称为飞地的可信执行环境中,能够保护正在使用的代码和数据。但是SGX在性能方面饱受诟病,其中,飞地在运行时可能产生大量飞地切换,飞地切换开销巨大,严重影响SGX的整体性能。最近Intel发布了新一代可信执行环境SGX-Ice Lake,基于新一代可信执行环境的架构特点,我们提出了典型的SGX工作流程,将SGX工作流程划分为线程调度、IO读写、内存管理、时间获取四个阶段,系统地评估和分析了SGX-Ice Lake的各阶段性能开销,发现SGX-Ice Lake仍然存在飞地切换性能问题。基于无飞地切换和异步的思想,结合SGX-Ice Lake更大的飞地内存、更多的处理器核数等特性,我们提出了全流程的SGX性能优化方案。针对线程调度阶段,我们提出了基于Rust Async/Await的基于协程的飞地内部调度方案,并设计了::调度机制,避免了线程调度阶段的飞地切换;针对IO读写阶段,我们提出了基于Linux io_uring的飞地异步IO方案,实现了无飞地切换异步IO,提出了急切执行和承诺执行异步策略,并基于这两个异步策略在飞地内设计了网络缓存和页缓存,分别加速网络IO和文件IO性能,避免了IO读写阶段的飞地切换,并隐藏了IO实际执行的开销;针对内存管理阶段,我们提出了基于内存池的飞地异步内存管理方案,通过飞地中的内存池动态分配内存,通过内存管理协程异步管理内存,避免了内存管理阶段的飞地切换;针对时间获取阶段,我们提出了基于v DSO的飞地时间获取方案,通过验证过的v DSO执行时间获取系统调用,或通过模拟v DSO执行时间获取系统调用,避免了时间获取阶段的飞地切换。我们基于开源的SGX库操作系统Occlum实现了系统,并进行了大量的实验评估,实验结果表明,针对典型SGX工作流程的各阶段,我们的优化方案展现出了显著的性能提升,分别达到了原生SGX性能的17.8、3.6、44.8、16.8倍。
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