VMのメモリ暗号化による クラウド管理者への情報漏洩の防止

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1 VMのメモリ暗号化による クラウド管理者への情報漏洩の防止
田所 秀和 （東工大） 内田 昴志 （九工大） 光来 健一 （九工大/JST CREST） 千葉 滋 （東工大）

2 クラウドコンピューティングの普及 ネットワークを通して計算機やソフトウェアなどのサービスを提供
Infrastructure as a Service (Iaas) 仮想マシン(VM)を提供 クラウド管理者とゲストOSの管理者は異なる クラウド管理者が信用できるとは限らない 従来はマシンの管理者とOSの管理者は同じ サービス

3 クラウド管理者への情報漏洩 クラウド管理者はユーザVMのメモリから情報を盗むことが可能 例：パスワード、ファイルキャッシュの内容
ハイパーバイザ型の場合 クラウド管理者は特権VMを使いユーザVMを管理 特権VMはユーザVMのメモリを読み書き可能 特権VM ディスク ユーザVM 保存 仮想マシンモニタ メモリ読み込み 漏洩 メモリ サスペンド

4 VMCrypt: VMメモリの暗号化 特権VMによるアクセス時にVMMがユーザVMのメモリを暗号化
漏えいして困る情報ではない 特権VM ディスク ユーザVM 保存 VMCrypt VMM 暗号化メモリ メモリ 暗号化 サスペンド

5 安全なサスペンド・レジューム Xen上の準仮想化Linuxの場合 4種類の非暗号化ページ ドメイン0 shared_info
start_info page table P2M table 暗号化 メモリ サスペンドされるドメインU レジュームされたドメインU ディスク 保存 復元 非暗号化ページ

6 VMメモリの暗号化・復号化 ドメイン0によるメモリマップ時に暗号化、アンマップ時に復号化 VMMがページテーブルの変更を検出
ハイパーコール（マップ時） ページフォールト（アンマップ時） ドメインUのメモリを上書きして暗号化 暗号化鍵はVMM内に保持 ドメインUの停止中に行う ドメイン0 ドメインU VMCrypt VMM マシンページ

7 VMメモリの暗号化・復号化 ドメイン0によるメモリマップ時に暗号化、アンマップ時に復号化 VMMがページテーブルの変更を検出
ハイパーコール（マップ時） ページフォールト（アンマップ時） ドメインUのメモリを上書きして暗号化 暗号化鍵はVMM内に保持 ドメインUの停止中に行う ドメイン0 ドメインU VMCrypt VMM マシンページ マップ時に暗号化

8 VMメモリの暗号化・復号化 ドメイン0によるメモリマップ時に暗号化、アンマップ時に復号化 VMMがページテーブルの変更を検出
ハイパーコール（マップ時） ページフォールト（アンマップ時） ドメインUのメモリを上書きして暗号化 暗号化鍵はVMM内に保持 ドメインUの停止中に行う ドメイン0 ドメインU VMCrypt VMM マシンページ アンマップ時に復号化

9 非暗号化ページの識別(1/2) shared_infoページ start_infoページ VMMとドメインUの情報共有に使用
ブート時はrsiレジスタ、レジューム時はedxレジスタ ドメインU VMM ドメイン0 start_info shared_info

10 非暗号化ページの識別(2/2) P2M(Physical to Machine)テーブル ページテーブル
サスペンド時はshared_infoからテーブルをたどれる レジューム時に識別するためにテーブル情報を保存 暗号化してドメインUの空きメモリに保存 ページテーブル サスペンド時はVMMが管理するページタイプで識別 レジューム時はP2Mテーブルと同様に実装予定 現在はドメイン０から通知 ドメインU ドメイン0 P2M ページテーブル shared_info

11 再設計：非暗号化ページの識別 非暗号化ページを識別するビットマップを管理 ドメインUの空きメモリ上に用意
VMMにより暗号化 ブート時にVMMがビットマップを作成 ページテーブルはCR3レジスタからたどる 実行時にビットマップを更新 例：ページテーブルの拡張 ドメイン0に監視させたいページも登録可能 サスペンド・レジューム時の識別の 単純化 これまではマップ時に毎回非暗号化判定 shared_info start_info page table p2m table 暗号化 ページ ビット マップ

12 実験 サスペンド・レジュームの実行時間を測定 暗号化サスペンドに時間がかかる メモリ割り当て量を変化 XORで暗号化・復号化
非暗号化ページの判定が ページ数の２乗の計算量 ビットマップを作ることで 改善できる CPU: Xeon 2.67GHz 8コア メモリ: 12Gb VMM: Xen 4.0.1 Dom0: Linux DomU: Linux

13 関連研究 Trusted Cloud Computing [Santos et al. HotCloud'09]
VMを管理者が信頼できるサイトにだけ移動させる 信頼できないサイトでは動かせない Domain Disaggregation [Murray et al. VEE'08] ドメイン作成専用のドメインBを用意 管理者はドメインBから情報を盗める Bitvisor [Shinagawa et al. VEE'09] VMMがディスクやネットワークを暗号化 メモリは暗号化しない

14 まとめと今後の課題 クラウド管理者への情報漏洩を防ぐVMCryptを提案 今後の課題 特権VMのアクセス時にVMMがVMのメモリを暗号化
Xenへプロトタイプ実装 今後の課題 非暗号化ページ識別の実装を完成させる ライブマイグレーションへの対応 ドメインを動かしたままメモリアクセス 完全仮想化に対応 VRAMなど多くのメモリにドメイン0がアクセス