Sichere Speicherzugriffe mit Fähigkeiten verbessern

Der Zugriff auf den Speicher ist entscheidend in Computersystemen, besonders wenn es um Sicherheit geht. Ein neuer Ansatz für den sicheren Speicherzugriff, genannt fähigkeitsbasiertes Speicherisolierung, ist aufgetaucht. Dieser Ansatz erlaubt es Software, mit dem Speicher über spezielle Handles, bekannt als Fähigkeiten, zu interagieren, anstelle von normalen Zeigern. Dieses Setup hilft, Sicherheitsregeln natürlicher durchzusetzen.

Während bestehende Designs wie CHERI ein gewisses Mass an Speichersicherheit bieten, passen sie vielleicht nicht zu allen Sicherheitsbedürfnissen. Dieses Papier diskutiert ein neues Fähigkeitsdesign, das eine stärkere Grundlage für sicheren Speicherzugriff bieten soll, ohne auf vertrauenswürdige Softwarekomponenten angewiesen zu sein.

#Hintergrund

#Speichersicherheit

Speichersicherheit bezieht sich darauf, eine Anwendung vor dem Zugriff auf falsche oder schädliche Speicherbereiche zu schützen. Fähigkeitsbasierte Designs können die Speichersicherheit verbessern, indem sie sicherstellen, dass Zugriffsrechte an Fähigkeiten gebunden sind.

#Einschränkungen bestehender Designs

Aktuelle Fähigkeitsarchitekturen bieten räumliche Sicherheit, fehlen aber die Flexibilität für andere Speichermodelle, die Anwendungen benötigen könnten. Diese Herausforderung kann zu Komplikationen bei der Gestaltung von Systemen führen, die eine Vielzahl von Speicherschutzmassnahmen erfordern.

#Ein verbesserter Ansatz

Das vorgeschlagene Design führt ein ausdrucksstärkeres Fähigkeitsmodell ein, das verschiedene Methoden der Speicherisolierung unterstützen kann. Die neue Schnittstelle ist für Umgebungen gedacht, in denen Speicherfreigabe und Zugriffsmanagement ohne etablierte Vertrauensstellung benötigt werden.

#Schlüsselfunktionen

#Exklusiver Zugriff

Lineare Fähigkeiten helfen, exklusiven Zugriff auf Speicherbereiche zu garantieren, sodass keine andere Fähigkeit mit den Zugriffrechten einer linearen Fähigkeit in Konflikt treten kann.

#Delegation und Widerruf

Die Möglichkeit, den Speicherzugriff an andere Komponenten zu delegieren, während man die Fähigkeit behält, diesen Zugriff jederzeit zu widerrufen, bietet eine solide Struktur für das Speichermanagement in verschiedenen Sicherheitsdomänen.

#Hierarchisches Berechtigungsmanagement

Das Design unterstützt die Schaffung einer Hierarchie von Berechtigungen, die nach Bedarf erweitert werden kann, um das Management von Speicherfreigabe und Zugriffskontrolle zu verbessern.

#Implementierung

Ein Prototyp des vorgeschlagenen Designs wurde entwickelt, um seine Benutzerfreundlichkeit und Effizienz zu demonstrieren. Dieser Prototyp enthält einen Emulator und einen einfachen Compiler, um verschiedene Modelle der Speicherisolierung zu ermöglichen.

#Bewertung

Die Bewertung des Prototyps zeigt, dass Speicherzugriffsoperationen mit minimalem Leistungsaufwand durchgeführt werden können. Das vorgeschlagene Design kann effizient verschiedene Speichermodelle unterstützen, ohne eine vertrauenswürdige Softwareumgebung zu benötigen.

#Vertrauenslose Speicherzuweisung

#Speicherzuweiser

Der Speicherzuweiser bietet lineare Fähigkeiten für zugewiesene Speicherbereiche und stellt sicher, dass Anwendungen den Speicher nutzen können, ohne dem Zuweiser zu vertrauen, dass er den Zugriff verwaltet.

#Beispielworkflow

Wenn eine Anwendung Speicher anfordert, erhält sie eine lineare Fähigkeit, die exklusiven Zugriff gewährt. Wenn die Anwendung den Speicher freigibt, kann der Zuweiser nicht mehr auf die zuvor gespeicherten Daten zugreifen, was die Vertraulichkeit wahrt.

#Vertrauensloses Thread-Scheduling

#Scheduler-Mechanismus

Der Thread-Scheduler arbeitet unabhängig von Anwendungen. Er stellt sicher, dass Anwendungen laufen können, ohne dem Scheduler ihre Daten anvertrauen zu müssen, was die Gesamtsicherheit verbessert.

#Kontextmanagement

Wenn ein Thread gewechselt wird, speichert der Scheduler den Kontext des Threads, um dessen Zustand zu bewahren und unbefugten Zugriff auf geschützte Daten zu verhindern.

#Vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen

#Überblick über TEEs

Vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen (TEEs) ermöglichen es Anwendungen, sicher zu laufen, ohne der zugrunde liegenden Software zu vertrauen. Das vorgeschlagene Fähigkeitsdesign kann die Schaffung von TEEs erleichtern, die keine Abhängigkeit von vertrauenswürdigen Komponenten erfordern.

#Räumliche Isolation

Ein Enklave ist ein privater Speicherbereich, der nur für eine bestimmte Anwendung zugänglich ist. Das Design ermöglicht eine einfache Erstellung und Verwaltung solcher Enklaven, was die Sicherheit erhöht.

#Verschachtelte Enklaven

#Struktur und Funktionalität

Das Design unterstützt verschachtelte Enklaven, was bedeutet, dass eine Enklave andere Enklaven innerhalb von sich erstellen kann. Diese hierarchische Struktur ermöglicht komplexe Speicherfreigabe und Berechtigungsmanagement.

#Sicherheitsüberlegungen

Das Nesten von Enklaven kann kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass der Zugang reguliert wird und dass Enklaven ihre Integrität wahren können, während sie Ressourcen teilen.

#Zeitlich-isolierte Enklaven

#Dynamisches Berechtigungsmanagement

Das vorgeschlagene Design ermöglicht dynamische Anpassungen der Speicherzugriffsberechtigungen innerhalb von Enklaven. Dieser zeitlich-isolierte Ansatz ermöglicht flexibleres Ressourcenmanagement.

#Kontrollierter Zugriff

Enklaven können zeitvariable Zugriffsrichtlinien festlegen, um Berechtigungen zu verwalten und sicherzustellen, dass Daten nur dann zugänglich sind, wenn es angemessen ist.

#Rust-ähnliches Speichermanagement

#Abstraktionsmechanismus

Das neue Design kann Rests Eigentums- und Leihmodell für das Speichermanagement nachahmen und ermöglicht räumliche und zeitliche Sicherheit, ohne vertrauenswürdige Komponenten zu benötigen.

#Dynamischer Prüfmechanismus

Durch Laufzeitprüfungen stellt das vorgeschlagene Design sicher, dass der Speicherzugriff den Eigentumseinschränkungen folgt und so unbefugten Zugriff auf Daten verhindert.

#Verwandte Arbeiten

#Vergleich mit CHERI

Während CHERI einige Fähigkeiten bietet, fehlt es an der Ausdruckskraft, um eine Vielzahl von Speichermodellen effektiv zu unterstützen. Das vorgeschlagene Design zielt darauf ab, diese Lücke zu schliessen und eine robuste Lösung bereitzustellen.

#Speichersicherheit in der Programmierung

Viele Programmiersprachen integrieren Sicherheitsmerkmale, um ordnungsgemässen Speicherzugriff sicherzustellen. Das vorgeschlagene Design steht im Einklang mit diesen Prinzipien und möchte die Sicherheit auf der architektonischen Ebene erhöhen.

#Zukünftige Arbeiten

Weitere Erkundungen sind geplant, um das vorgeschlagene Design von einem theoretischen Rahmen zu praktischen Hardwareimplementierungen zu bringen. Das Ziel ist es, die Anwendungen zu erweitern und den Ansatz basierend auf realen Daten und Rückmeldungen zu verfeinern.

#Fazit

Ein neues fähigkeitsbasiertes architektonisches Design kann den sicheren Speicherzugriff in verschiedenen Anwendungen verbessern. Indem es mehrere Modelle der Speicherisolierung unterstützt und die Zugriffskontrolle ohne Abhängigkeit von vertrauenswürdigen Komponenten gewährleistet, bietet dieser Ansatz eine vielversprechende Richtung für die zukünftige Computersicherheit.

#Referenzen

#Hinweis

Die Informationen in diesem Artikel stammen aus verschiedenen Forschungsstudien und bestehenden Rahmenwerken, die sich mit Speicherverwaltung, Fähigkeiten und Sicherheit in Computersystemen befassen.