機密コンピューティング

機密コンピューティングは、使用中のデータの保護に重点を置いた、セキュリティとプライバシーを強化するコンピューティング技術です。機密コンピューティングは、それぞれ保存データと転送中のデータを保護するストレージ暗号化およびネットワーク暗号化と組み合わせて使用できます。 ^[¹^]^[²^]これは、ソフトウェア、プロトコル、暗号化、および基本的な物理的攻撃とサプライチェーン攻撃に対処するように設計されていますが、一部の批評家は、この技術に対して有効なアーキテクチャ攻撃とサイドチャネル攻撃を実証しています。 ^[³^]

この技術は、ハードウェアベースの信頼できる実行環境(TEE)で計算を実行することで、使用中のデータを保護します。 ^{[ 3 ]}機密データは、信頼できると評価された場合にのみ TEE に公開されます。機密コンピューティングの種類によって、仮想マシン、アプリケーション、関数など、使用されるデータ分離のレベルが定義され、この技術はオンプレミスのデータセンター、エッジロケーション、パブリッククラウドに展開できます。これは、完全準同型暗号化、セキュアマルチパーティ計算、トラステッドコンピューティングなどの他のプライバシー強化計算技術と比較されることがよくあります。

機密コンピューティングは、機密コンピューティングコンソーシアム（CCC）という業界団体によって推進されており、その会員にはこの技術の主要プロバイダーが含まれています。^{[ 4 ]}

不動産

トラステッド実行環境 (TEE) は、「使用中のアプリケーションやデータへの不正アクセスや変更を防止し、機密データや規制対象データを管理する組織のセキュリティレベルを向上させます」。^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}トラステッド実行環境は、中央処理装置(CPU) やグラフィックス処理装置(GPU)などのコンピュータの処理コンポーネント上にインスタンス化できます。 ^{[ 6 ]} TEE は、さまざまな実装において、仮想マシン、個々のアプリケーション、または計算機能など、さまざまなレベルの分離を提供できます。^{[ 7 ]} 通常、コンピュータの計算コンポーネントとメモリで使用されているデータは復号化された状態で存在し、不正なソフトウェアや管理者による検査や改ざんに対して脆弱です。^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} CCC によると、機密コンピューティングは、少なくとも 3 つの特性によって使用中のデータを保護します。^{[ 10 ]}

データ機密性：「TEE内でデータが使用されている間、権限のない主体はデータを閲覧することはできない」。
データ整合性：「権限のない主体は、TEE内でデータが使用されている間、データを追加、削除、または変更することはできません。」
コードの完全性：「権限のないエンティティは、TEE内で実行されるコードを追加、削除、または変更することはできません。」

信頼できる実行環境に加えて、リモート暗号化アテステーションは機密コンピューティングの不可欠な部分です。アテステーションプロセスはシステムの信頼性を評価し、機密データが真正であり、許容可能なセキュリティ姿勢で動作しているという検証可能な証拠を提示した後にのみ、TEEにリリースされることを保証します。^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} アテステーションにより、検証側は、その環境の「ソフトウェアとデータの状態に関する真正で正確かつタイムリーなレポート」を通じて、機密コンピューティング環境の信頼性を評価できます。「ハードウェアベースのアテステーション方式は、信頼できるハードウェアコンポーネントと関連するファームウェアに依存して、安全な環境でアテステーションルーチンを実行します。」^{[ 10 ]}アテステーションがない場合、侵害されたシステムは、他のシステムを欺いて信頼させ、TEEで特定のソフトウェアを実行していると主張し、処理中のデータの機密性または完全性、あるいは信頼できるコードの完全性を損なう可能性があります。^{[ 14 ]}^{[ 10 ]}^{[ 15 ]}

技術的アプローチ

機密コンピューティングの技術的アプローチは、機密データへのアクセスを許可するソフトウェア、インフラストラクチャ、および管理者要素によって異なる場合があります。「信頼境界」は、信頼できるコンピューティングベース（TCB）を囲むものであり、善意であれ悪意であれ、機密データにアクセスする可能性のある要素を定義します。^{[ 16 ]} 機密コンピューティングの実装では、定義された信頼境界を特定のレベルのデータ分離で強制します。機密コンピューティングの主な3つのタイプは次のとおりです。

仮想マシンの分離
アプリケーション分離（プロセス分離とも呼ばれる）
関数分離（ライブラリ分離とも呼ばれる）

仮想マシンの分離は、コンピュータインフラストラクチャまたはクラウドプロバイダーによって制御される要素を取り除きますが、インフラストラクチャ上で実行されている仮想マシン内の要素によるデータへのアクセスは許可します。アプリケーションまたはプロセスの分離は、許可されたソフトウェアアプリケーションまたはプロセスによるデータアクセスのみを許可します。関数またはライブラリの分離は、より大きなアプリケーション内の許可されたサブルーチンまたはモジュールによるデータアクセスのみを許可し、より大きなアプリケーション内の許可されていないコードを含む他のシステム要素によるアクセスをブロックするように設計されています。^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

脅威モデル

機密コンピューティングは使用中のデータの保護に関わるため、この技術で対処できる脅威モデルは限られています。他の種類の攻撃には、他のプライバシー強化技術の方が適しています。^{[ 10 ]}

対象範囲内

機密コンピューティングの対象となる脅威ベクトルは一般的に以下のとおりです。^{[ 10 ]}

ソフトウェア攻撃：ホストのソフトウェアおよびファームウェアに対する攻撃を含みます。これには、オペレーティングシステム、ハイパーバイザー、BIOS、その他のソフトウェアおよびワークロードが含まれる場合があります。
プロトコル攻撃：これには、「認証に関連するプロトコル、ワークロード、およびデータ転送に対する攻撃」が含まれます。これには、「ワークロードのプロビジョニングまたは配置」やデータにおける脆弱性が含まれ、これらが侵害を引き起こす可能性があります。
暗号攻撃：数学的ブレークスルー、コンピューティング能力の向上、量子コンピューティングなどの新しいコンピューティング手法といった様々な要因により、暗号やアルゴリズムに脆弱性が発見されるケースが含まれます。CCCは、この脅威ベクトルに関して、ハードウェアにおける暗号アルゴリズムのアップグレードの難しさや、ソフトウェアとファームウェアを常に最新の状態に保つことなど、いくつかの注意点を指摘しています。多面的な多層防御戦略がベストプラクティスとして推奨されています。
基本的な物理攻撃：コールドブート攻撃、バスやキャッシュの盗聴、 PCI ExpressスロットやUSBポートなどの既存のポートへの攻撃デバイスの接続などが含まれます。
基本的な上流サプライチェーン攻撃：デバッグポートの追加などの変更を通じてTEEを侵害する攻撃を含む。

これらの脅威に対する保護の程度とメカニズムは、特定の機密コンピューティングの実装によって異なります。^{[ 20 ]}

対象外

一般的に機密コンピューティングの範囲外と定義される脅威には以下が含まれます。^{[ 10 ]}

高度な物理攻撃：チップスクレイピング技術や電子顕微鏡プローブなど、「ハードウェアへの長期的かつ/または侵襲的なアクセスを必要とする」物理攻撃を含む。
上流のハードウェアサプライチェーンに対する攻撃：CPU製造プロセス、製造時のキーインジェクション／生成におけるCPUサプライチェーンへの攻撃などが含まれます。信頼できる実行環境の機能を直接提供しないホストシステムのコンポーネントに対する攻撃も、一般的には対象外です。
可用性攻撃：機密コンピューティングは、保護されたデータとコードの機密性と完全性を保護するように設計されています。サービス拒否攻撃や分散型サービス拒否攻撃などの可用性攻撃には対応していません。

ユースケース

機密コンピューティングは、パブリッククラウド、オンプレミスのデータセンター、またはネットワークノード、支店、産業システムなどを含む分散型の「エッジ」ロケーションに展開できます。^{[ 21 ]}

データプライバシーとセキュリティ

機密コンピューティングは、インフラストラクチャプロバイダー、不正または悪意のあるソフトウェアやシステム管理者、および他のクラウドテナントからデータとコードの機密性と完全性を保護します。これは、機密データや規制対象データの制御を求める組織にとって懸念事項となる可能性があります。 ^{[ 22 ]}^{[ 23 ]}機密コンピューティングによって提供される追加のセキュリティ機能は、より機密性の高いワークロードをクラウドまたはエッジロケーションに移行することを加速するのに役立ちます。^{[ 24 ]}

複数当事者分析

機密コンピューティングにより、複数の関係者がプライバシーと規制遵守を維持しながら、TEE 内の機密データまたは規制対象データを使用して共同分析を行うことができます。^{[ 25 ]}^{[ 26 ]} この場合、すべての関係者が共有分析から利益を得ますが、関係者の機密データや機密コードは他の関係者やシステムホストに公開されません。^{[ 8 ]}例としては、複数の医療機関が医療研究にデータを提供したり、複数の銀行が協力して金融詐欺やマネーロンダリングを特定したりすることが挙げられます。^{[ 27 ]}^{[ 15 ]}

オックスフォード大学の研究者たちは、「機密リモートコンピューティング」（CRC）と呼ばれる代替パラダイムを提案した。これは、相互に信頼できないデータ、アルゴリズム、ハードウェアプロバイダーとして複数の利害関係者を考慮し、エンドポイントコンピュータ間で信頼できる実行環境における機密操作をサポートするものである。^{[ 28 ]}

機密性の高い生成型AI

機密コンピューティング技術は、生成型AI展開のさまざまな段階に適用でき、データやモデルのプライバシー、セキュリティ、規制遵守の向上に役立ちます。TEEとリモート認証は、AIモデルのトレーニング中にデータの完全性を保護し、推論または検索拡張生成（RAG）中に非公開データを機密に保ち、さまざまな敵対的攻撃や盗難からAIモデル自体を保護することができます。^{[ 29 ]}^{[ 30 ]}

規制遵守

機密コンピューティングは、規制対象データにアクセスできるソフトウェアや人物を制限することで、データ保護と規制遵守を支援し、データとコードの完全性に対する保証を強化します。さらに、TEEは、リスクを軽減するために講じられた措置の証拠を提供し、それらが適切であったことを証明することで、データガバナンスを支援できます。^{[ 31 ]} 2021年、欧州連合サイバーセキュリティ機関（ENISA）は、機密コンピューティングを、欧州連合の一般データ保護規則およびドイツのITセキュリティ法（ITSiG）に基づくデータ保護に関して「最先端」技術として分類しました。^{[ 32 ]}

データローカライゼーション、主権、居住地

データローカライゼーションとレジデンシーまたはデータ主権に関する規制では、データが現地法に準拠してのみ使用されることを保証するために、機密データが特定の国または地理的ブロック内に留まることが求められる場合があります。機密コンピューティングを使用すると、ワークロードの所有者のみが、検証済みの TEE 内で処理するためにデータを復号化するために必要な暗号化キーを保持します。 ^{[ 33 ]} これにより、ワークロード所有者の同意なしにデータが他の国または管轄区域に持ち出されて平文で処理されるリスクを軽減する技術的な保護が提供されます。^{[ 34 ]}^{[ 35 ]}

機密コンピューティングのその他の用途としては、記録のプライバシーとコードの完全性を強化したブロックチェーンアプリケーション、プライバシー保護型の広告技術、機密データベースなどが挙げられる。

批判

複数の学術研究グループとセキュリティ研究グループが、さまざまなアプローチに基づいて、CPU ベースの TEE に対するアーキテクチャ攻撃とサイドチャネル攻撃を実証しています^{。[3] これらには、ページフォールト[36]、キャッシング[27]、メモリバス[} 37 ] ^{、およびIntel} SGXに対するÆpic ^{[ 38 ]} とSGAxe ^{[ 39 ]}、AMD SEV ^-^SNPに対する^CIPHERLEAKS^[⁴⁰ ]^が^含ま^れます^。Trusted^computing^base ( TCB) リカバリなどのハードウェアの更新メカニズムは、サイドチャネルの脆弱性が発見されたときにそれを軽減できます。^[⁴¹^]^[⁴²^]

機密コンピューティングの定義自体も、一部の学術研究者から批判されている。ドイツのドレスデン工科大学の研究者は、それを「不正確で不完全、さらには矛盾している」と評した。^{[ 43 ]}研究者たちは、研究や他のセキュリティ技術との比較を容易にするために、それをより詳細かつ正確にするよう提言している。^{[ 43 ]}

「機密リモートコンピューティング」（CRC）パラダイム^{[ 44 ]}は、機密コンピューティングをTEEの元の設計原則に戻し、利用可能なエンドユーザーのコンピュータで実行される小規模なエンクレーブを提唱しています。CRCは、異なるデータ所有者、ハードウェア所有者、アルゴリズム所有者など、複数の利害関係者向けのプラクティスとテンプレートを追加します。CRCは、個人使用のためのプラクティスと方法論を追加することで、機密コンピューティングの広範な概念を拡張します。

主要なマイクロプロセッサやGPUプロバイダーは、もはやパーソナルコンピュータ向けデバイスに機密コンピューティングハードウェアを提供しておらず、使用例はサーバークラスのプラットフォームに限定されています。Intel SGXは、2015年に第6世代Intel Core（Skylake）プロセッサでPC向けに導入されましたが、2022年に第11世代Intel Coreプロセッサ（Rocket Lake）で廃止されました。 ^{[ 45 ]}

他のプライバシー強化技術との比較

機密コンピューティングは、完全準同型暗号化、セキュアマルチパーティコンピューティング、トラステッドコンピューティングなど、他のセキュリティまたはプライバシー強化技術と比較されることが多い。

完全準同型暗号化

完全準同型暗号化(FHE) は、暗号化されたデータを復号化せずに計算を実行できる暗号化方式です。一方、機密コンピューティングでは、プロセッサとメモリ内のハードウェアで強制されアクセス制御された TEE 内で暗号化されたデータを転送し、データを復号化して必要な計算を実行します。データは TEE から出る前に再暗号化される場合があります。両者を比較すると、FHE のパフォーマンスは機密コンピューティングよりも計算オーバーヘッドが高く、アプリケーション固有のコーディングが広範囲に必要となる可能性があります^{[ 46 ]}が、データが復号化されないため、サイドチャネル攻撃の影響を受けにくくなっています^{[ 47 ]} 。機密コンピューティング TEE と FHE が連携して、それぞれの技術が個別に機能する場合の欠点を軽減するユースケースが、複数の研究者によって報告されています^{[ 48 ]}^{[ 49 ] 。}

安全なマルチパーティ計算

セキュアマルチパーティ計算（SMPC）は、複数のパーティが分散アルゴリズムを使用してタスクを共同で計算しながら、各パーティのデータを他のパーティから秘匿できるプライバシー保護技術です。機密コンピューティングも、プライバシー保護マルチパーティコラボレーションに使用できます。SMPCによる分散コンピューティングは、計算とネットワーク帯域幅の点で互いにコストが高くなる可能性がありますが^{[ 50 ]}、どのパーティも完全なデータセットを保持しないため、サイドチャネル攻撃を受けにくくなります^{[ 47 ] 。}

信頼できるコンピューティング

トラステッドコンピューティングは、トラステッドプラットフォームモジュール（TPM）などの標準化されたハードウェアベースのメカニズムを使用してコンピューティングシステムの信頼性を確立することを目的とした、トラステッドコンピューティンググループによって公開された概念と標準のセットです。^{[ 51 ]} 技術的な観点から見ると、トラステッドコンピューティングと機密コンピューティングは、信頼アーキテクチャやリモート認証プロトコルなどの同様のセキュリティ概念に依存しています。ただし、トラステッドコンピューティングは、異なる脅威モデルとさまざまなプラットフォーム（電話、ラップトップ、サーバー、ネットワーク機器など）を対象としています。^{[ 52 ]}機密コンピューティングは、トラステッド実行環境とメモリ暗号化の使用などを通じて、使用中のコードとデータの機密性と完全性を標的とする攻撃ベクトルに対処します。

プロバイダー

機密性の高いコンピューティングのユースケースでは、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせが必要となり、多くの場合、クラウドサービスプロバイダーやサーバーメーカーと連携して提供されます。

クラウドコンピューティングプロバイダー

^{機密コンピューティング}^{技術とサービスは}、 Alibaba Cloud [ ⁶⁶^] Baidu Cloud [ ⁶⁶^]^Google Cloud ^[⁶⁷^] IBM Cloud ^[ 68 ] Microsoft Azure ^[⁶⁹^] OVHcloud ^[⁷⁰^]などのパブリッククラウドコンピューティングプロバイダーを^介してアクセスできます。

アプリケーションプロバイダー

ほとんどの機密コンピューティングのユースケースを実現するには、アプリケーションソフトウェアが必要です。機密コンピューティングソフトウェアアプリケーションのプロバイダーには、Anjuna ^{[ 66 ]} 、 CanaryBit ^{[ 71 ]}、Cosmian ^{[ 72 ]}、CYSEC ^{[ 73 ]}、Decentriq ^{[ 74 ]}、Duality ^{[ 75 ]}、Edgeless Systems ^{[ 76 ]}、Enclaive ^{[ 77 ]}、Fortanix ^{[ 78 ]}、IBM Hyper Protect Services ^{[ 79 ]}、Mithril Security ^{[ 80 ]}、Oblivious ^{[ 81 ]}、Opaque Systems ^{[ 82 ]} 、 Scontain ^{[ 83 ]}、Secretarium ^{[ 84 ]} 、 Super Protocol ^{[ 85 ]} 、 Fr0ntierX ^{[ 86 ]}などがあります。