張亞暉， 趙 敏， 李 劍， 韓 歡

(1.陸軍工程大學 通信士官學校，重慶 400035；2.陸軍工程大學 指揮控制工程學院，江蘇 南京 210007)

信息系統(tǒng)(information system，IS)是以處理信息流為目的的人機一體化系統(tǒng)，在人類的社會生活、生產(chǎn)實踐、政治生態(tài)、軍事斗爭和人文學術等領域扮演著越來越重要的角色。但隨著計算機軟硬件的飛速發(fā)展，越來越多的信息系統(tǒng)成為遺留系統(tǒng)。長期運行的遺留信息系統(tǒng)通常承載著某些關鍵復雜業(yè)務，并具有以下特征：(1)系統(tǒng)架構陳舊、維護困難；(2)開發(fā)維護人員流動大、代碼和文檔缺失；(3)業(yè)務功能獨立，沒有集成；(4)安全防護問題突出。

遺留信息系統(tǒng)雖然存在較多問題，但因為長期運行，通常包含大量的業(yè)務數(shù)據(jù)，是企業(yè)非常重要的資源。大部分企業(yè)在處理遺留信息系統(tǒng)時通常有兩種方式：(1)完全拋棄遺留信息系統(tǒng)，進行重新開發(fā)；(2)對遺留信息系統(tǒng)進行性能和安全優(yōu)化。重新開發(fā)的信息系統(tǒng)可以采用較新的軟硬件和開發(fā)技術，但通常需要對原有的數(shù)據(jù)進行適配轉換，在此過程中，還需要繼續(xù)使用遺留系統(tǒng)。因此，可以先對遺留信息系統(tǒng)進行性能和安全優(yōu)化，再根據(jù)需求進行信息系統(tǒng)的重新開發(fā)。目前雖然有關于遺留信息系統(tǒng)工程方面的文獻[1-2]，但關于安全方面的研究相對較少，特別是目前遺留信息系統(tǒng)主要運行于基于Intel處理器的商用Windows平臺，操作系統(tǒng)和信息系統(tǒng)本身都可能存在漏洞，易受攻擊。雖然一些遺留信息系統(tǒng)具有身份認證、殺毒、加密等傳統(tǒng)安防手段，但仍面臨較大的安全風險，如無法解決運行態(tài)內存中的數(shù)據(jù)安全問題。

針對上述不足，本文以A公司在Windows上運行的無源代碼無文檔的遺留人力資源管理信息系統(tǒng)為例，提出采用SGX可信計算技術為該遺留信息系統(tǒng)中的敏感信息提供機密性和完整性保護，最大程度減少敏感信息的泄露問題。

本文的貢獻主要有：(1) 設計了Windows場景中基于SGX技術保護遺留信息系統(tǒng)的架構，解決了該場景中信息系統(tǒng)的敏感信息保護問題，推廣了SGX的典型應用場景。(2) 提出了基于Hook技術調用SGX的方法，解決了Windows遺留信息系統(tǒng)無法直接使用SGX的問題，豐富了遺留信息系統(tǒng)安全防護的技術手段。

1 背景和相關工作

1.1 微軟Detours庫

微軟Detours庫[3]可以在程序運行過程中動態(tài)攔截函數(shù)調用。它的工作原理是將目標函數(shù)前幾個指令替換為一個無條件的跳轉，跳轉到用戶定義的Detour函數(shù)。而被攔截的函數(shù)保存在一個名為Trampoline的函數(shù)中。Trampoline函數(shù)保存了目標函數(shù)移除的指令和一個無條件跳轉，可以使執(zhí)行流重新跳轉回目標函數(shù)的執(zhí)行體部分(即未被移除的部分)。當執(zhí)行到目標函數(shù)的時候，可以根據(jù)用戶指令直接跳轉到用戶提供的Detours函數(shù)，Detours函數(shù)開始執(zhí)行自己的函數(shù)代碼，執(zhí)行完畢后可以直接返回或調用Trampoline函數(shù)將執(zhí)行流程跳轉到原目標函數(shù)前。當目標函數(shù)執(zhí)行完以后，再將控制權交給Detour函數(shù)，Detour函數(shù)執(zhí)行適當?shù)拇a返回。

1.2 SGX技術

SGX是Intel公司提出的一種芯片級信息隔離安全防護新技術，是對Intel體系(intel architecture)新的擴展，用于增強軟件的安全性[4]，Intel公司在Skylake系列CPU中開始加入了對SGX技術的支持。SGX通過在硬件級別上為應用程序實現(xiàn)一個被隔離的內存空間來保證運行代碼和數(shù)據(jù)的機密性與完整性，被隔離的空間稱為飛地(enclave)。不同于以往的識別和隔離平臺上的惡意軟件，SGX是將用戶代碼和數(shù)據(jù)以明文形式封裝在Enclave中，而Enclave外的代碼和數(shù)據(jù)則需要加密存儲，因此對于非Enclave訪問，外部存儲器讀取的和總線監(jiān)聽的都是加密后的數(shù)據(jù)。

另外，在x86架構中，Intel CPU的運行級別分為Ring 0、Ring 1、Ring 2和Ring 3四級。其中Ring 0權限級別最高，Ring 3最低，權限級別高的可以修改查看與它同級或較低級別的數(shù)據(jù)和代碼，但反過來則經(jīng)常被認為是非法操作而不被允許。在不支持SGX技術的硬件設備中，一些惡意攻擊者可以通過獲取Ring 0權限級別，對Ring 3權限級別的用戶代碼和數(shù)據(jù)實施竊取和破壞。但在SGX技術中，雖然SGX運行于Ring 3權限級別，但操作系統(tǒng)等均不被SGX信任，可以防止更高權限的攻擊者對Enclave內代碼和數(shù)據(jù)的攻擊。

與當前流行的可信平臺模塊TPM[5]和ARM TrustZone[6]兩種硬件安全隔離技術相比，SGX還具有較小的可信計算基TCB(trusted computing base)，僅包括CPU和Enclave本身，避免了基于軟件的TCB的漏洞與威脅。同時SGX可保障軟件運行時的安全，惡意軟件無法訪問和篡改Enclave中運行時的內容；SGX基于指令集的擴展與獨立的認證方式，使應用程序可以靈活調用SGX的安全功能并進行驗證。

1.3 基于SGX的相關研究

自SGX技術提出以來，學術界和工業(yè)界對基于SGX的網(wǎng)絡應用和針對SGX攻擊與防御等[7-19]進行了大量研究與驗證。其中，基于SGX技術構建可信的系統(tǒng)調用庫LibOS可以提高安全應用的開發(fā)效率，為遺留系統(tǒng)提供安全增強保護，因而成為研究熱點。

文獻[7，8，11，12，17]基于SGX技術分別提出了Haven、SCONE、Panoply、Graphene-SGX和Occlum等LibOS方案。但遺憾的是，SCONE、Panoply、Graphene-SGX和Occlum只適用于Linux環(huán)境，且SCONE、Panoply和Occlum是利用交叉編譯器實現(xiàn)的源代碼級別兼容，即雖然可以不修改應用的源代碼但必須要對源代碼進行重新編譯；而Graphene-SGX是二進制級別兼容，解決了大部分應用在無源代碼情況下的隔離保護，已經(jīng)成為非常受歡迎的LibOS，但其存在性能和數(shù)據(jù)同步一致性的問題。Haven是Windows環(huán)境中的LibOS方案，但它需要在Enclave中重新封裝系統(tǒng)調用及其他的Shield模塊等，使得其可信計算基過大，且因其閉源而導致Windows環(huán)境中基于SGX可用的遺留系統(tǒng)安全增強方案幾乎空白。

2 威脅模型

A公司的遺留人力資源管理信息系統(tǒng)，主要用于存儲公司的人力資源信息。因該系統(tǒng)開發(fā)時間較早，開發(fā)人員、文檔和源代碼等均已缺失，已成為無源代碼無文檔的遺留信息系統(tǒng)。經(jīng)安裝使用、逆向工程分析，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 某遺留人力資源管理信息系統(tǒng)架構

該遺留信息系統(tǒng)是基于MFC開發(fā)的32位應用程序，并通過DLL動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問。系統(tǒng)中的敏感信息是人員數(shù)據(jù)，特別是用戶口令、薪酬數(shù)據(jù)等。且用戶口令和薪酬數(shù)據(jù)等敏感信息以明文的形式，分別存儲在數(shù)據(jù)庫表UsersLogin和WagesInfo中。

為該遺留人力資源管理信息系統(tǒng)的相關操作提供一個安全可信的執(zhí)行環(huán)境，并有效保護系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是亟待解決的問題?；诖耍疚募僭O系統(tǒng)的處理器是可信的，即Enclave安全容器及容器中的代碼和數(shù)據(jù)都是可信的。而Enclave外部是不可信的，即BIOS、操作系統(tǒng)及遺留信息系統(tǒng)自身是不可信的。攻擊者可以利用系統(tǒng)或軟件漏洞攻擊BIOS、操作系統(tǒng)或遺留信息系統(tǒng)等，獲得Ring 0級別特權，進而可以修改系統(tǒng)配置，植入惡意代碼、病毒，從而竊取、偽造或破壞遺留信息系統(tǒng)中的敏感信息。

3 基于SGX的無源代碼無文檔遺留信息系統(tǒng)安全增強方案

3.1 可行性分析

該遺留人力資源管理信息系統(tǒng)是32位的應用程序，運行于基于Intel處理器的商用Windows平臺。而Intel SGX可信技術對硬件的要求是6代Skylake CPU及以上，對操作系統(tǒng)的要求是64位的Windows 7及以上，目前主流的64位操作系統(tǒng)是Windows 10、Windows Server 2012和Windows Server 2016等，可以兼容運行32位的應用程序，這為A公司的遺留信息系統(tǒng)使用SGX可信計算技術提供了硬件和軟件支持。

3.2 安全增強方案

安全增強方案的目的是保護該遺留人力資源管理信息系統(tǒng)中的敏感信息。方案的基本思路是：

(1) 通過逆向工程、靜態(tài)分析等方法找到Windows無源代碼遺留信息系統(tǒng)的注入點；

(2) 編寫Hook邏輯改變遺留信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)執(zhí)行流程，使新的執(zhí)行流程調用SGX不可信組件的接口函數(shù)；

(3) 使用不可信組件的接口函數(shù)將遺留信息系統(tǒng)的明文敏感信息傳入可信Enclave安全容器；

(4) 在可信Enclave中對明文敏感信息進行加密處理并將相關的密鑰等隱私數(shù)據(jù)綁定至Enclave；

(5) 將加密后的敏感信息返回給原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，并將相關的密文存儲到數(shù)據(jù)庫中。

基于SGX和Enclave是安全可信的，即使操作系統(tǒng)或遺留信息系統(tǒng)內部被攻擊或篡改，仍可以保證Enclave安全容器中代碼和數(shù)據(jù)的安全可信，防止敏感信息被竊取，架構示意圖如圖2所示。

圖2 基于SGX的遺留信息系統(tǒng)安全增強方案框架

基于上述思路，開發(fā)人員不需要對原遺留信息系統(tǒng)進行任何修改，只需要：

(1) 改變原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)的執(zhí)行流程。

(2) 開發(fā)Hook函數(shù)與SGX不可信組件交互的接口函數(shù)。

(3) 開發(fā)SGX組件，包括可信組件(方案命名為可信Enclave，TEnclave)和不可信組件(除去可信組件的其他部分，命名為UTBridge)。其中可信組件用于執(zhí)行密鑰生成、敏感信息加解密等安全相關的操作；不可信組件負責與Hook函數(shù)以及可信組件的交互。可信組件中的代碼和數(shù)據(jù)在可信內存區(qū)域受到SGX可信計算技術保護，而不可信組件的代碼和數(shù)據(jù)位于一般的內存中。

3.2.1 方案的形式描述

重點對安全增強方案中敏感信息的加解密進行描述。

定義安全增強方案SES={KSGX,NSGX,SSGX}。其中：KSGX={key1, key2,…, keyn}為飛地中密鑰的有限集；NSGX={nonce1,nonce2,…,noncen}為飛地中隨機數(shù)的有限集；SSGX={(KSGX,NSGX)}為飛地中密鑰和隨機數(shù)組合的有限復合集。

算法1對明文敏感信息的加密算法(SGX_encrypt)

輸入：明文敏感信息Plaintext

輸出：密文敏感信息Ciphertext

a) 輸入Plaintext；

b)RSGX=Random(SSGX)，從SSGX中隨機選取一組密鑰和隨機數(shù)的組合；

c) rv=Encrypt(Plaintext,Ciphertext,RSGX)，在飛地中加密敏感信息；

d )if rv!=SGX_SUCCESS，轉f)；

else轉e)；

e) 輸出Ciphertext；

f) 結束。

算法2對密文敏感信息的解密算法(SGX_decrypt)

輸入：密文敏感信息Ciphertext

輸出：明文敏感信息Plaintext

a) 輸入Ciphertext；

b) 循環(huán)：fori=1;i≤n;i++

rv=Decrypt(Ciphertext, Plaintext,SSGXi)

if rv!= SGX_SUCCESS continue;

else break;

c) if rv!=SGX_SUCCESS，轉e)；

else轉d)；

d ) 輸出Plaintext；

e) 結束。

3.2.2 改變原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)執(zhí)行流程

改變函數(shù)執(zhí)行流程的方法有很多，最簡單的方式是修改函數(shù)的源碼，但對于無源代碼的遺留信息系統(tǒng)，則可以通過Hook技術更改函數(shù)的執(zhí)行流程。方案使用逆向工程、靜態(tài)分析等方式分析獲取原遺留信息系統(tǒng)的注入點，使用微軟Detours庫實現(xiàn)Hook函數(shù)的注入。

通過對原遺留信息系統(tǒng)進行逆向工程分析，其數(shù)據(jù)訪問層的DLL動態(tài)鏈接庫中主要有兩個與數(shù)據(jù)庫操作相關的函數(shù)，分別是Dboperafunc和Dbselectfunc。經(jīng)分析驗證，其中Dboperafunc主要用于更改數(shù)據(jù)庫，即將人員信息寫入數(shù)據(jù)庫；而Dbselectfunc主要用于查詢數(shù)據(jù)庫，即查詢人員信息從而顯示到MFC應用中。

根據(jù)Detours庫的使用規(guī)則，安全增強方案需要定義4個函數(shù)實現(xiàn)Hook邏輯，包括2個Trampoline函數(shù)和2個Detour函數(shù)。定義的Trampoline函數(shù)為Real_dbopera和Real_dbselect，分別用于保存Dboperafunc和Dbselectfunc的移除指令和無條件跳轉，以及分別用于還原恢復Dboperafunc和Dbselectfunc函數(shù)的執(zhí)行流程。定義的Detour函數(shù)為Hook_dbopera和Hook_dbselect，分別用于改變Dboperafunc和Dbselectfunc的執(zhí)行流程，以便在更改后的執(zhí)行流程中使用SGX可信計算技術對敏感信息進行加密和解密操作。注意設計的Trampoline和Detour函數(shù)的參數(shù)列表、類型及函數(shù)返回值等均應與原函數(shù)相同，否則函數(shù)跳轉將失敗。更改前后的執(zhí)行流程分別如圖3、圖4所示。

圖3 函數(shù)正常的執(zhí)行流程

圖4 hook注入后的函數(shù)執(zhí)行流程

所需函數(shù)定義完成后，可以使用DetourAttach攔截目標函數(shù)。DetourAttach需要2個參數(shù)：目標函數(shù)指針地址和Detour函數(shù)地址，但目標函數(shù)不能直接作為參數(shù)傳入，而需要傳入目標指針。DetourAttach為調用目標函數(shù)分配并準備好一個Trampoline函數(shù)。Detour運行以后，目標函數(shù)和Trampoline會被重寫，目標指針被更新，指向Trampoline函數(shù)。一旦目標函數(shù)被攔截，目標函數(shù)的調用會被轉到Detour函數(shù)。目標函數(shù)通過Trampoline被執(zhí)行的時候，Detour函數(shù)將參數(shù)復制過來。要想移除攔截，可以調用DetourDetach。與DetourAttach類似，DetourDetach也需要2個參數(shù)：目標函數(shù)指針地址和Detour函數(shù)地址。DetourDetach執(zhí)行后，目標函數(shù)被重寫為其原來的狀態(tài)。Trampoline函數(shù)被刪除，目標函數(shù)指針恢復為原來的目標函數(shù)。

在安全增強方案中，因為要攔截的程序沒有源代碼，所以需要將Trampoline函數(shù)Real_dbXXfunc和Detour函數(shù)Hook_dbXXfunc封裝在HookHrMis.dll中，并在遺留信息系統(tǒng)啟動時，使用DetourCreateProcessWithDllEx將HookHrMis.dll注入遺留信息系統(tǒng)進程中。

3.2.3 安全操作與敏感信息的隔離保護

遺留信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)執(zhí)行流程被更改后，需使新的執(zhí)行流程調用SGX不可信組件的接口函數(shù)，通過接口函數(shù)將系統(tǒng)中的明文敏感信息由不可信組件傳入可信Enclave安全容器，并在Enclave中對明文敏感信息進行加密處理。

SGX組件由可信組件和不可信組件組成，其中本方案的可信組件命名為TEnclave，不可信組件為除TEnclave以外的部分，命名為UTBridge?？尚沤M件TEnclave與不可信組件UTBridge會進行交互，其交互規(guī)則要按照SGX規(guī)范編寫Enclave定義語言(enclave definition language, EDL)文件[20]。在安全增強方案中，編寫TEnclave.edl文件對方案的可信組件與不可信組件進行明確的劃分與定義，SGX可以使用該EDL文件自動完成可信組件和不可信組件相關文件的生成，并為可信容器TEnclave創(chuàng)建相關的OCALL和ECALL例程。自動生成的可信組件文件包括TEnclave_t.h、TEnclave_t.c，不可信組件文件包括TEnclave_u.h、TEnclave_u.c。ECALL和OCALL主要完成可信組件TEnclave與不可信組件UTBridge的交互，ECALL是不可信部分調用可信部分的方式，函數(shù)的執(zhí)行將從不可信組件UTBridge轉到可信組件TEnclave，而OCALL則是可信部分調用不可信部分的方式，函數(shù)執(zhí)行將從可信組件TEnclave轉到不可信組件UTBridge。

可信組件TEnclave和不可信組件UTBridge均被封裝為單獨的dll，從HookHrMis到TEnclave的函數(shù)調用將遵循圖5所示流程。

圖5 安全增強方案函數(shù)調用示意圖

3.2.4 敏感信息增強保護示例

下面以對遺留人力資源管理信息系統(tǒng)中的人員薪酬數(shù)據(jù)進行增強保護為例，說明如何改變原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)執(zhí)行流程，以及如何對安全操作與敏感信息進行隔離保護，其流程如圖6所示。

圖6 敏感信息增強保護示例流程圖

第1階段為改變函數(shù)流程。通過逆向工程、靜態(tài)分析等手段獲取原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，主要包括Dboperafunc和Dbselectfunc，分別設計相應的Trampoline函數(shù)和Detour函數(shù)。

(1) Trampoline函數(shù)，用于保存原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)的移除指令和無條件跳轉，以便還原執(zhí)行流和實現(xiàn)原始的函數(shù)調用，有Real_dbopera和Real_dbselect。

(2) Detour函數(shù)，用于攔截原數(shù)據(jù)庫的操作函數(shù)，以實現(xiàn)對人員薪酬數(shù)據(jù)的加解密，有Hook_dbopera和Hook_dbselect。Hook_dbopera函數(shù)用于更改原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)Dboperafunc的執(zhí)行流程，通過分析得知原函數(shù)的參數(shù)為要執(zhí)行的SQL語句。通過使用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理員賬號查看該人力資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的表結構，人員薪酬數(shù)據(jù)表為WagesInfo，其中的薪酬列名為Wage。分析函數(shù)Dboperafunc的參數(shù)SQL語句中是否存在表名“WagesInfo”以及是否存在“Insert”或“Update”等詞句，若存在這些詞句，則需要對該語句進行解析重寫，否則應直接調用Real_dbopera還原執(zhí)行流。

第2階段為隔離保護安全操作與敏感信息。提取SQL語句中的薪酬Wage字段，調用UTBridge.dll中的封裝函數(shù)Ew_X，再由Ew_X函數(shù)進行ECALL調用進入可信組件TEnclave。

(1) 啟動Enclave安全區(qū)，使用Enclave前必須啟動Enclave并將生成的Enclave ID提供給ECALL例程。這對于其他函數(shù)應該是透明的，安全增強方案通過使用一個全局變量保存該ID信息，但這會導致在安全區(qū)內一次只能存在一個線程。對于安全應用來說這是一個合理的解決方案，因為較少的線程意味著較小的可信計算基和攻擊面。為了解決透明性問題，UTBridge.dll中的函數(shù)應首先檢查安全區(qū)是否已啟動，如果Enclave已啟動，則直接使用，否則先進行Enclave安全區(qū)的創(chuàng)建和啟動。通過檢查ECALL例程的返回值，除SGX_SUCCESS以外的任何結果都表明函數(shù)未成功進入Enclave安全區(qū)，并且所請求的功能未成功執(zhí)行。

(2) 定義可信組件與不可信組件的交互接口。安全增強方案的交互接口通過EDL文件進行定義，以實現(xiàn)對人員薪酬數(shù)據(jù)的加解密。因為薪酬數(shù)據(jù)的明文和密文處于Enclave內外不同的地址空間，因此要將其從不可信部分封送到受Enclave保護的內存空間中。SGX可信部分與不可信部分之間的參數(shù)傳遞與傳統(tǒng)函數(shù)不同，需要明確：① 數(shù)據(jù)復制方向，對于加密過程，薪酬數(shù)據(jù)的明文先封送到可信Enclave中，加密完成后將密文返回給不可信部分。對于解密過程，薪酬數(shù)據(jù)的密文先封送到可信Enclave中，解密完成后將明文返回給不可信部分。SGX為了指明指針數(shù)據(jù)復制的方向，需要在函數(shù)的指針參數(shù)前指定方向，方向類型有[in]、[out]、[in, out]，含義如表1所列；② 指針引用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，SGX要求對于數(shù)組、Char和Wchar_t字符串等類型，如果要復制的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的長度超過一個元素，就必須指定緩沖區(qū)中的元素數(shù)，否則將僅復制一個元素。安全增強方案需要在傳遞指針數(shù)據(jù)前，正確獲取要傳遞的元素個數(shù)或數(shù)組的長度，并將其作為函數(shù)的一個參數(shù)。

表1 ECALL和OCALL中的指針方向參數(shù)及其含義

(3) 選擇加解密函數(shù)。SGX的可信內存空間不能依賴第三方庫，因此Enclave中的加解密函數(shù)只能自己編寫或者選擇SGX所提供的加解密算法。SGX的密碼庫中自帶了一些常用的加解密方法和HASH函數(shù)，方案分別選擇了SGX可信加密庫函數(shù)SGX_aes_ctr_encrypt和SGX_aes_ctr_decrypt進行薪酬數(shù)據(jù)的加解密操作，二者執(zhí)行的是CTR(計數(shù)器)模式下的AES加解密操作，可支持128位的密鑰。

至此，對薪酬數(shù)據(jù)明文加密完成后，將該密文字段傳回Hook_dbopera函數(shù)，并重寫原SQL語句，利用DetourDetach還原數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)執(zhí)行流程，使其執(zhí)行重寫后的SQL語句，將加密后的薪酬數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫。

4 驗證與分析

4.1 實驗環(huán)境

實驗所選主機為Thinkpad E490筆記本電腦，CPU為支持SGX功能的i7-8565U，內存16 GB。SGX開發(fā)環(huán)境搭建步驟為：在BIOS中啟用主機的SGX功能；安裝Windows 10操作系統(tǒng)，版本為1809；安裝Intel管理引擎驅動程序，版本為1909.12.0.1236；安裝Visual Studio 2017；安裝Intel Windows SGX SDK 2.7，SGX PSW 2.7。

4.2 加解密功能驗證

在該遺留人力資源管理信息系統(tǒng)中注入HookHrMis.dll，對人員的口令、薪酬數(shù)據(jù)等敏感信息重新錄入后，查看數(shù)據(jù)庫中人員口令表UsersLogin中的口令字段和薪酬表WagesInfo中的薪酬字段已全部為密文，但在應用中可以查看到正確的明文信息。

結果表明，基于SGX的無源碼遺留信息系統(tǒng)安全增強方案正確實現(xiàn)了對人員口令和薪酬數(shù)據(jù)等敏感信息的加解密。惡意的數(shù)據(jù)庫攻擊者在沒有正確使用遺留人力資源管理信息系統(tǒng)的前提下，即使獲取到該數(shù)據(jù)庫，也無法獲取其中的敏感信息，實現(xiàn)了對敏感信息的增強保護。

4.3 性能分析

安全增強方案使用SGX可信計算技術，對原遺留信息系統(tǒng)的性能會帶來一定的損耗。通過運行不同次數(shù)的安全增強方案測試程序，分別測試了在遺留信息系統(tǒng)中注入HookHrMis.dll前后插入人員信息和更新人員信息所耗費的時間，測試結果分別如圖7、圖8所示。

圖7 注入HookHrMis.dll前后插入人員信息所需時間

圖8 注入HookHrMis.dll前后更新人員信息所需時間

從測試結果可以看出，在原遺留信息系統(tǒng)中注入HookHrMis.dll后插入人員信息和更新人員信息相比注入前分別帶來了3.3%和4.37%的額外性能損耗。

分析性能損耗的原因主要在于Enclave安全容器的創(chuàng)建與銷毀、ECALL/OCALL調用過程中的數(shù)據(jù)傳遞以及敏感信息在Enclave安全容器中的加密和解密。但在應用的實際運行過程中，可以通過調整Enclave的創(chuàng)建與銷毀策略，如在應用的運行期間只創(chuàng)建一次Enclave，并只在應用退出時才銷毀該Enclave，這樣可以將Enclave創(chuàng)建與銷毀所帶來的開銷降至最低。因此，安全增強方案所帶來的額外性能開銷在可接受的范圍內。

4.4 Enclave內存分析

因為所有Enclave可信內存都在EPC(enclave page cache)內存區(qū)域中實例化，但EPC是內存中的共享資源，即系統(tǒng)中所有正在運行的Enclave都必須位于其中。在系統(tǒng)中， EPC的大小可以在BIOS中設定，通常為64 MB或128 MB。由于此限制，應將Enclave的大小調整為適合其實際內存的使用量，并且分配給Enclave的內存不應超過其使用量，同時還應注意在使用完Enclave后及時釋放以避免可能的內存泄露。分配給Enclave的內存量是在Enclave配置文件中設置的，默認為每個線程分配256 kB?？臻g和1 MB全局堆空間。

可以使用SGX提供的EMMT工具來測量運行安全增強方案的Enclave大小，運行安全增強方案測試程序1、100和1 000次的Enclave大小測量結果如圖9所示。

圖9 Enclave內存占用

測量結果表明，該安全增強方案在執(zhí)行期間Enclave安全區(qū)共使用了2 kB的?？臻g和4 kB的堆空間，沒有發(fā)生內存泄露問題。

5 結論

首先對相關背景知識進行研究，Intel的硬件可信計算技術SGX在越來越多的安全工程領域得到應用，然后針對當前Windows遺留信息系統(tǒng)中的敏感信息保護問題，提出了基于SGX技術的安全增強方案，方案不需要對原遺留信息系統(tǒng)進行任何修改，與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)弱相關。并以某無源代碼無文檔的遺留人力資源管理信息系統(tǒng)為例設計實現(xiàn)了該安全增強方案，對其中的隱私信息實現(xiàn)了安全保護。實測結果表明基于SGX技術的安全增強方案所帶來的額外性能開銷在可接受的范圍，并驗證了方案的正確性。本文主要針對Windows的無源代碼無文檔遺留信息系統(tǒng)進行增強保護，下一步將考慮Linux的無源代碼無文檔的遺留信息系統(tǒng)安全增強及Web信息系統(tǒng)安全增強等。