SegTEE：面向小型端侧设备的可信执行环境系统

游戏天地 2025年03月07日 22:45 3 admin

来自上海交通大学、浙江理工大学、浙江大学和南湖实验室的臧斌宇教授、陈海波教授、助理研究员杜冬冬博士、博士生杨壁丞、助理研究员余炀博士、夏虞斌教授、丁佐华教授、赵永望教授和张磊博士，近期在《计算机学报》发表论文“SegTEE：面向小型端侧设备的可信执行环境系统”。

面向万物互联、智联计算的边端场景，如何在小型端侧设备上保护用户隐私，隔离关键代码和数据，成为一个亟待突破的重要问题。现有系统通常依赖于可信执行环境，通过基于处理器的硬件扩展，保护安全敏感应用的机密性和完整性。然而，现有端侧可信执行环境系统主要面向静态、固定的安全场景，难以满足万物互联所带来的动态复杂的安全要求。具体来说，包含四个关键挑战。首先，动态复杂的安全需求会在可信执行环境中带来不可忽视的“资源税”，导致其难以部署在小型端侧设备中。其次，在内存安全方面，现有端侧设备往往只提供简单的段隔离机制（如ARM MPU和RISC-V PMP），难以支持多层多域的复杂隔离需求。再次，在I/O安全方面，现有系统通过静态划分或主机代理的方式，前者难以适应动态变化的安全应用场景，后者存在严重性能开销和安全隐患。最后，在可扩展性方面，端侧设备依赖的段隔离机制能够降低硬件资源开销，但是仅能支持十分有限的隔离域，无法满足万物互联场景下较多的隔离域需求。

为了系统性地突破并解决上述挑战，本文提出SegTEE，一个面向万物互联小型端侧设备的可信执行环境系统。和传统可信执行环境方案相比，SegTEE 围绕段隔离机制设计了全系统的隔离和保护，支持同特权态隔离域间隔离和跨特权态的段隔离。具体来说，SegTEE首先提出嵌套段隔离机制，在硬件层面支持TEE-Seg段保护机制和OS-Seg段保护机制，其中TEE-Seg能够实现隔离域间隔离，而OS-Seg则提供用户态和特权态操作系统间的隔离性保障。基于TEE-Seg和OS-Seg的嵌套段隔离机制，SegTEE引入了段滑动窗口设计，能够在有限数量（例如16个）的段寄存器基础上，实现上百个隔离域，有效支撑万物互联的复杂场景。SegTEE还引入了基于段的内存裁剪机制，有效降低资源税，并且设计了基于段隔离的I/O动态保护方案。实验结果显示，SegTEE能够基于本文提出的设计，相比前沿RISC-V可信执行环境（蓬莱-PMP），隔离域数量提升了14倍，降低了54%的内存资源占用，并且可以在运行时达到相当的性能表现。