信息安全研究 ›› 2023, Vol. 9 ›› Issue (3): 280-.

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面向片外不可信内存的一种实用ORAM方案

濮传威;张功萱;周俊龙;付安民;   

  1. (南京理工大学计算机科学与工程学院南京210094)
  • 出版日期:2023-03-04 发布日期:2023-03-03
  • 通讯作者: 濮传威 硕士研究生.主要研究方向为ORAM、可信计算. 120106010820@njust.edu.cn
  • 作者简介:濮传威 硕士研究生.主要研究方向为ORAM、可信计算. 120106010820@njust.edu.cn 张功萱 博士,教授.主要研究方向为嵌入式与多核体系结构、可信计算与计算机系统安全、网络与Web服务安全. gongxuan@njust.edu.cn 周俊龙 博士,副教授.主要研究方向为边缘(嵌入式设备)智能计算、端边云计算、服务计算. jlzhou@njust.edu.cn 付安民 博士,教授.主要研究方向为人工智能安全、数据安全与隐私保护、工业互联网安全、网络攻防. fuam@njust.edu.cn

A Practical ORAM Scheme for Untrusted Offchip Memory

  • Online:2023-03-04 Published:2023-03-03

摘要: 目前,大多数计算机系统都面临信息泄露的问题. 在物理层面上,处理器芯片和片外不可信内存之间的总线是造成信息泄露的一个安全隐患,攻击者可以窥探内存总线上的数据以及地址,从而获得敏感信息. 单独使用数据加密已经不足以保证系统的安全,因为每次内存访问仍然需要明文内存地址. 攻击者仍然可以通过总线窥探每次内存访问的地址从而获得隐式信息. 解决此问题的可能方法是使用不经意随机访问机(oblivious random access machine, ORAM)方案隐藏访问模式. 但是现有的ORAM方案对于每次真实内存访问都涉及大量虚拟访问,明显增加了性能开销. 提出了一种分组ORAM方案,该方案将真实内存访问隐藏在指定数量的一小簇虚拟访问中. 其性能开销不会随着内存容量增加而增加,且该方案采用了参数化的设计,针对不同平台对安全性以及性能的要求,可以进行灵活配置. 通过在Xilinx xc7vx330t FPGA平台上的实验表明,对于1次内存访问,与最先进的Tiny ORAM方案相比,分组ORAM可以显著减少性能开销.


关键词: 不经意随机访问机, 低性能开销, 片外不可信内存, 安全处理器, 隐私

Abstract: At present, most computer systems are facing the problem of information leakage. On the physical level, the bus between the processor chip and the offchip untrusted memory is a security risk that causes information leakage. Adversaries can snoop the data and address on the memory bus to obtain sensitive information. Data encryption alone is not enough to ensure the security of the system, because each memory access still needs a plaintext memory address. Adversaries can still snoop the address of each memory access through the bus to obtain implicit information. The possible way to solve this problem is to use the oblivious random access machine (ORAM) scheme to hide the access mode. However, the existing ORAM scheme involves a large number of virtual accesses for each real memory access, which significantly increases the performance overhead. This paper proposes a Group ORAM scheme, which hides the real memory access in a specified number of small clusters of virtual accesses. Its performance overhead will not increase with the increase of memory size, and the scheme adopts a parametric design, which can be flexibly configured according to the requirements of different platforms for security and performance. Experiments on Xilinx xc7vx330t FPGA platform show that Group ORAM can significantly reduce the performance overhead compared with the most advanced. Tiny ORAM scheme for one memory access.

Key words: ORAM, low performance overhead, untrusted offchip memory, secure processor, privacy

中图分类号: