直播主题
Intel SGX窥探之旅
内容简介
SGX是Intel基于CPU扩展的一种革命性的安全技术，旨在提供具有最小攻击面的硬件辅助的可信执行环境。实际应用时主要用来保护使用中的数据的机密性和完整性。本议题主要是探索SGX的工作原理和安全优势，同时分享我们发现的一个SGX安全漏洞一一可将Released Enclave转换成debug模式以窥视其内部数据。
除此之外，本议题也会探索SGX在数据安全领域的一些应用。
讲师简介
苏小智
360安全工程院冰刃实验室，安全开发专家。主要研究方向为Linux内核、主动防御、虚拟化及其安全、loT、SGX, 设计并研发了多款终端硬件产品，终端安全和云安全软件产品。
直播视频：
作者：Suezi@360安全工程院冰刃实验室
Intel Software Guard Extensions (Intel SGX)是基于CPU扩展的一种革命性的安全技术,旨在提供具有最小攻击面的硬件辅助的可信执行环境。它允许应用程序或应用程序的一部分运行在一个称为Enclave的安全容器中，任何应用程序，包括OS、Hypervisor、BIOS均无法访问其内容。Enclave使用的页面和数据结构由CPU内部的MEE加密存储在EPC中，负责映射Enclave页面的页表由OS管理，但OS无法获取其内容，仅Enclave可访问。然而攻击者总是想方设法以直接或间接的方式来获取数据，比如隐私数据，加密密钥，或者篡改代码的执行流。分析SGX的工作模型，设法将Release版本的Enclave转换成Debug版本，再借助SGX开发套件中的sgx-gdb工具，可实现对SGX Enclave的动态调试，之后便可为所欲为。
1 引言
当程序运行在某个计算平台，特别是在公有云时，其依赖的运行环境可能存在着安全漏洞甚至系统已被攻破，代码和数据的安全性均无法得到保障。此时建立一个可信计算环境（TEE）是十分必要的安全手段和需求，如ARM平台的Trust Zone，Intel的SGX。SGX自Intel的第5代Xeon E3系列CPU开始可用，Intel在CPU内部提供一个具备最小攻击面的的执行环境——SGX，不管是应用程序还是具备root权限的操作系统还是VMM或者BIOS，都无法直接读取或修改Enclave的内容。
与普通的应用程序开发流程类似，Enclave程序在开发过程分为Debug version、PreRelease version、Release Version，不同的版本在构建时使用的密钥类型不一样，Debug版本可采用自生成的密钥，Release版本必须采用Intel签发的，其中Debug版本支持 sgx-gdb调试。sgx-gdb基于普通gdb添加针对SGX的ptrace，除了不支持少数的gdb指令（info sharedlibrary、charset、gcore）和受限支持next/step、call/print 外，使用和功能上与普通gdb无异。
本文以SGX的工作模型为切入点，主要研究如何将Release模式的Enclave转换成Debug，之后借助sgx-gdb工具完成对正常Enclave的窥探。本文提出并实现静态转换和动态转换的两种Released Enclave to Debug的方法。
2 SGX概述
根本上，SGX是Intel指令集架构（ISA）的扩展，设计了一套专用的指令集用于创建一个可信执行环境Enclave，可被应用程序用来保存/运行数据或代码。SGX利用CPU提供的指令在内存中划分一部分区域供Enclave使用，这部分内存称为EPC（Enclave Page Cache）,并且限定每个EPC页面只能分配给一个Enclave，Enclave使用的页面和数据结构由CPU内部的MEE(Memory Encryption Engine)加密存储在EPC中。EPC的访问控制由跟CPU体系相关的硬件EPCM（Enclave Page Cache Map）负责，任何Non-Enclave都不能访问EPC的内容，任何软件均不可访问EPCM。SGX扩展出一个新的CPU模式，叫做Enclave模式，当CPU要访问Enclave中的数据时，需要切换到Enclave模式。Enclave和Non-Enclave通过EENTER和EEXIT指令进行切换，当Enclave运行过程被中断或异常打断时，Enclave通过AEX（Asynchronous Enclave Exit）机制退出到Non-Enclave模式。在模式切换时，其运行状态会保存到SSA（State Save Area）中，并清除TLB。
相比其他TEE，SGX的TCB（Trust Computing Base）更小，仅局限于Enclave 软件本身和CPU及其固件。从攻击面上对比，普通应用程序和SGX应用程序分别如图1和图2[1]所示。
图1 普通应用程序攻击面
图2 SGX应用程序的攻击面
3 SGX 详述
3.1 SGX术语
Enclave：不同的语境下有不同的含义，可以指SGX可信执行环境，也可以指应用程序里将要在可信执行环境里运行的那部分代码。
EPC：Enclave Page Cache，一个加密的内存区域。实现上可以通过BIOS预留计算机中DRAM的一部分做专用内存，再利用CPU的MEE对专用内存进行高效加解密。可有效防止内存嗅探攻击。
MEE：Memory Encryption Engine， CPU中的加密引擎。
EPCM: Enclave Page Cache Map，为了对每个EPC页进行访问控制，在CPU特定的数据结构中维持EPC entry的有效性和Enclave的访问权限（R/W/X）以及EPC页的类型（PT_SECS/PT_TCS/PT_REG/PT_VA/PT_TRIM）。
SSA：State Save Area, 当Enclave切换到Non-Enclave模式时，如Enclave运行中遇到CPU中断，会发生上下文切换，保存Enclave的上下文到EPC中保留区域，这部分区域叫做状态保留区域，在resume时再恢复。
SECS：SGX Enclave Control Structure，每个Enclave都对应着一个SECS，它是用于表示Enclave属性的数据结构，存储在EPC内存页，包含了Enclave所需的元数据信息，如存储Enclave构建时的度量值MRENCLAVE，是硬件保护Enclave的关键要素。文中探究的Enclave Debug属性也是包含在该数据结构中的ATTRIBUTES域里。整个数据结构不可被Non-Enclave 软件访问。
TCS：Thread Control Structure，每个运行着的Enclave拥有一个或者多个TCS。TCS是硬件进入/退出Enclave时用来存储/恢复线程相关信息的数据结构，保存在EPC内存页。TCS的FLAGS域可被Non-Enclave软件访问,TCS.FLAGS.DBGOPTIN 用于使能Enclave的debug属性(如TF, breakpoints)，Debug模式的Enclave可通过调试器修改该位。
MRSIGNER：对Enclave签名密钥对中公钥的SHA-256 值。
SIGSTRUCT：Enclave Signature Structure,用于表示Enclave签名相关信息的数据结构。同时也保存着含有Debug 属性的Enclave ATTRIBUTES 域。
EINITTOKEN：EINT Token Structure，Enclave EINIT 时用来检验是否允许该Enclave初始化的令牌。也称为Launch token。令牌数据结构中同时也保存着含有Debug 属性的Enclave ATTRIBUTES 域。
MRENCLAVE：Enclave的唯一识别码，用于记录Enclave从创建到初始化完成整个过程的256 bit的摘要，代表着Enclave本身的TCB。在ECREATE时初始化，EADD/EEXTEND时更新，EINIT后锁定。
AEX：Asynchronous Enclave Exits，Enclave运行时遇到CPU中断等异常事件，退出执行。
3.2 SGX 指令
SGX指令包括特权指令（ENCLS）和用户指令（ENCLU）两大部分，通过在EAX寄存器指定输入值来和ENCLS/ENCLC编码形成不同功能的子函数（指令），其输入/输出参数通过RBX/RCX/RDX寄存器进行指定。ENCLS相关的指令助记符如表1所示。ENCLU相关的指令助记符如表2所示。
表1 ENCLS 指令
| 指令 | EAX | RBX | RCX | RDX | 功能简介 |
| ECREATE | 00H
(In) |
PAGEINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
在EPC中创建一个SECS页 | |
| EADD | 01H
(In) |
PAGEINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
增加一个新页到未初始化完成的Enclave | |
| EINIT | 02H
(In) |
SIGSTRUCT
(In, EA) |
SECS
(In, EA) |
EINITTOKEN
(In, EA) |
初始化一个可执行Enclave |
| EREMOVE | 03H
(In) |
EPCPAGE
(In, EA) |
从EPC删除一页 | ||
| EDBGRD | 04H
(In) |
ResultData
(Out) |
EPCPAGE
(In, EA) |
从Debug Enclave 读取数据 | |
| EDBGWR | 05H
(In) |
SourceData
(In) |
EPCPAGE
(In, EA) |
向Debug Enclave写入数据 | |
| EEXTEND | 06H
(In) |
EPCPAGE
(In, EA) |
扩展未初始化完成的Enclave的度量值 | ||
| ELDB | 07H
(In) |
PAGEINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
VERSION
(In, EA) |
加载一个EPC页并将其状态标记为blocked |
| ELDU | 08H
(In) |
PAGEINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
VERSION
(In, EA) |
加载一个EPC页并将其状态标记为unblocked |
| EBLOCK | 09H
(In) |
EPCPAGE
(In, EA) |
将一个EPC页标记为blocked | ||
| EPA | 0AH
(In) |
PT_VA(In) | EPCPAGE
(In, EA) |
在EPC中增加Version Array | |
| EWB | 0BH
(In) |
PAGEINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
VERSION
(In, EA) |
使一个EPC页面无效并写回到主内存（DRAM） |
| ETRACK | 0CH
(In) |
EPCPAGE
(In, EA) |
激活EBLOCK的检查 | ||
| EAUG | 0DH
(In) |
PAGEINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
LINADDR | 为已初始化的Enclave增加一个EPC页 |
| EMODPR | 0EH
(In) |
SECINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
为已初始化的Enclave修改EPC页的访问权限 | |
| EMODT | 0FH
(In) |
SECINFO
(In, EA) |
EPCPAGE
(In, EA) |
改变EPC页的类型 | |
| EA:Effective Address
In:Input parameter Out:Output parameter |
|||||
表2 ENCLU指令
| 指令 | EAX | RBX | RCX | RDX | 功能简介 |
| EREPORT | 00H
(In) |
TARGETINOF
(In,EA) |
REPORTDATA
(In,EA) |
OUTPUTDATA
(In, EA) |
创建Enclave的加密报告 |
| EGETKEY | 01H
(In) |
KEYREQUEST
(In,EA) |
KEY
(In,EA) |
检索一个加密密钥 | |
| EENTER | 02H
(In) |
TCS
(In,EA) |
AEP
(In,EA) |
进入Enclave模式执行 | |
| RBX.CSSA
(Out) |
Return
(Out,EA) |
||||
| ERESUME | 03H
(In) |
TCS
(In,EA) |
AEP
(In, EA) |
重进入Enclave模式执行 | |
| EEXIT | 04H
(In) |
Target
(In,EA) |
Current
AEP (Out) |
退出Enclave模式 | |
| EACCEPT | 05H
(In) |
SECINFO
(In,EA) |
EPCPAGE
(In,EA) |
接受对EPC页面的更改 | |
| EMODPE | 06H
(In) |
SECINFO
(In,EA) |
EPCPAGE
(In,EA) |
扩展EPC页面的权限 | |
| EACCEPTCOPY | 07H
(In) |
SECINFO
(In,EA) |
EPCPAGE
(In,EA) |
EPCPAGE
(In,EA) |
将现有EPC页面的内容拷贝到未初始化的EPC页面 |
3.3 SGX 技术实现
SGX技术实现如图3所示，可总结成如下几点：
图3 SGX 技术实现
SGX应用程序切分成Untrusted和Trusted两部分，Trust部分运行在Enclave中；
由Untrusted部分的应用程序通过ioctl系统调用的方式调用ENCLS指令创建出Enclave,并把Trust部分的代码加载到Enclave里执行；
Untrusted部分的应用通过特殊的调用接口Ecalls调用Enclave里函数的执行；
当Enclave里的函数被调用后，仅仅Enclave里的代码可访问其数据，外部的程序——不管是普通的应用程序，还是具备特权的OS、VMM、Bios都无法访问。当Enclave里的函数返回后，其数据仍保留在内存保护区；
Enclave拥有自己的代码和数据区，SGX保证代码和数据的完整和保密性。Enclave的入口点是在编译阶段预定义好，支持多线程，可访问整个Application的内存空间。下一小节详述Enclave.
EPC是SGX的内存管理核心，属于Enclave的相关数据结构和代码以及数据的存放处，是经过MEE加密存储，外部程序无法获取其实际内容，逻辑上如图4所示。
图4 EPC内部逻辑
3.4 Enclave安全机制
形式上，Intel SGX 允许以明文形式发布应用程序的受保护部分，也就是说在Enclave建立之前，Enclave的code和data都是可以自由地进行分析检查的，当这部分受保护的程序加载进Enclave时，它的code和data将会被度量，加载完成后，度量值存放于EPC的SECS，不可更改，来自Enclave外的访问将被拒绝。
应用上，Enclave可以向远方证明自己的身份，并且提供必要的构建块（MRENCLAVE）以安全地提供密钥和凭证。应用程序也可以请求特定于Enclave或平台的密钥，这样就支持保护那些希望存储在Enclave之外的密钥和数据。
原理上，当CPU访问Enclave中数据时，首先切换到Enclave模式，Enclave模式会强制对每个内存访问进行额外的基于硬件的安全检查，由于数据是存放在EPC中，而EPC的内存内容都经过MEE加密，只有当EPC的内存内容进入CPU package时才会被解密，一旦返回EPC后立即被加密。因此即使通过各种内存攻击手段，典型的如内存嗅探，获取到EPC的内容，也是无法获知实际内容的密文。Enclave Enter/Exit的流程如图5所示，进入Enclave模式时，首先通过应
图5 Enclave Entry/Exit 流程
用程序调用ENCLC指令EENTER通知CPU切换Enclave模式，之后将应用程序的上下文保存到TCS数据结构，这样CPU就切换到Enclave模式执行。当Enclave主动退出时，Enclave里的程序调用ENCLC指令EEXIT，切换回Non-Enclave模式。EENTER指令将CPU控制权从应用程序转移到Enclave里的预定位置，它会首先检查TCS是否可用，清空TLB条目，然后切换入Enclave模式，并保存好RSP、RBP和XCR0寄存器内容，最后禁用PEBS（Precise Event Based Sampling），使Enclave执行时像一条巨大的指令。EEXIT指令将进程返回其原始模式，并清除Enclave地址的TLB条目，释放TCS数据结构，另外，Enclave退出前会清空CPU寄存器以防止数据泄露。
当Enclave运行过程被中断或异常打断时，CPU通过AEX机制退回到Non-Enclave模式，在模式切换时，其运行状态会保存到EPC的SSA中，并清除TLB，处理完中断或异常利用ERESUME重进入Enclave并从SSA加载数据恢复先前状态.Enclave AEX 流程如图6所示，AEP（Asynchronous Exit Pointer）指向位于应用程序
图6 Enclave AEX流程
内部的处理程序，在中断服务例程（ISR）处理异常后，该处理程序将继续执行，并决定是否调用ERESUME指令来恢复Enclave的执行。流程上，在Enclave运行过程中，CPU收到了中断/异常，Enclave首先保存其程序上下文后恢复应用程序的上下文，然后操作系统调用ISR处理中断并返回到AEP，若AEP决定要恢复Enclave的执行，它将调用ERESUME指令，Enclave退出前保存的上下文内容将被恢复，最后Enclave从原先退出的地方继续执行。
SGX的内存访问控制流程如图7所示。线性地址转物理地址流程跟传统一样由OS负责，当访问地址指向EPC时，CPU首先检查是否属于Enclave发起的请求，若是再自动到EPCM里检查访问权限是否符合。EPCM检查项包括：
图7 SGX内存访问控制
该内存页是否有效；
该内存页的类型（PT_SECS/PT_TCS/PT_REG,etc.）是否正确；
该内存页是否属于当前的Enclave;
R/W/X访问权限是否匹配；
线性地址是否正确。
Enclave具备如下安全特性：
- 不管当前特权级别还是CPU模式（Ring3/用户模式，Ring0/内核模式，SMM，VMM，或是其他Enclave）,Enclave安全区内存都无法从外部读取或写入；
- 在构建Enclave的时候可以设置debug属性，进行debug签名，再借助sgx-gdb 调试器可以像普通调试器调试普通软件一样调试Enclave。产品级（Released）Enclave不允许通过软件或硬件的形式进行调试（这正是本文要攻破的地方），若强行设置debug属性，将会导致Enclave创建失败，表现在EINIT时异常退出；
- Enclave执行环境的唯一方式是通过EENTER/ERESUME这样的SGX新指令在进行一系列安全检查后进入，像传统的函数调用、跳转、寄存器操控、栈操控等方式均无法进入Enclave执行环境。当然，在Enclave内部进行传统的函数调用是没问题的。
3.5 Enclave 的创建
从上文描述可见，在外对Enclave内部不可访问，无法修改运行中Enclave的SECS，因此想通过直接修改SECS的debug域是没法实现的。山重水复疑无路，柳暗花明又一村，我们可以从创建Enclave的过程着手。本文重点探究的将Released Enclave改成可debug模式从此开始。创建Enclave可分为两大过程，首先是创建Enclave内容，即编程和编译，其次是创建其执行环境，即加载执行的过程。
3.5.1 Enclave 内容的创建
图8 SGX 软件开发模型
以Linux系统为例，SGX应用软件发布时在形态上分为App和Enclave.signed.so 两部分，App运行在Non-Enclave模式，属于非可信计算，Enclave.signed.so运行在Enclave模式下，属于可信计算，运行时App利用特定的Enclave接口ECalls调用Enclave.signed.so内函数的执行，同时Enclave.signed.so也可利用特定的接口OCalls来调用App内的函数，典型的如系统调用。SGX软件开发的模型如图8所示，Intel提供了SGX SDK工具包以支持用户快速开发，SDK包含了工具和代码库两大部分，工具包含：用于配置CPUSVN信息的sgx_config_cpusvn、用于解析Enclave Description
Language (EDL) file的sgx_edger8r、用于加密的sgx_encrypt、用于给Enclave.so签名的sgx_sign以及debugger工具sgx-gdb;代码库根据是否属于可信计算分成trusted（如libsgx_trts.a）和untrusted(如libsgx_urts.so)两大部分以及两者间的接口。开发SGX应用时，用户自主决定哪部分代码需要运行在Enclave中，生成Enclave文件的整体操作流程是：
首先需要用户编写期望运行在Enclave中的c/c++代码，并声明在edl文件的”trusted”段中；
然后使用SGX SDK提供的 sgx_edger8r 工具解析edl文件生成Enclave_trust.c文件；
再将Enclave_trust.c和其他c文件编译成enclave.so；
最后使用SGX SDK提供的 sgx_sign 工具对enclave.so进行签名，生成enclave.signed.so。传入sgx_sign工具的文件还包括enclave_private.pem私钥文件和定义有Enclave metadata信息的xml文件，假如要生成产品级Release的Enclave，需要传入的私钥文件是经过Intel进行签发；若是debug版本的可以使用随SGX SDK一起的Samplecode里的Enclave_private.pem。 sgx_sign将所有的metadata数据保存在enclave.signed.so ELF文件里的”.note.sgxmeta”段里。
metadata里保存着Enclave的所有属性，在运行时生成的SECS、TCS关键信息大部分来自于它，包括EINIT所需的EINITTOKEN也是基于它来生成，因此修改metadata里相关信息后可将Enclave由release版本变成可调试的debug版本。下文将重点介绍该部分。
3.5.2 Enclave 执行环境的创建
Enclave的创建由普通应用程序发起，先申请Enclave页，再通过ioctl系统调用执行ENCLS指令，如ECREATE、EADD、EEXTEND、EINIT等，其细节流程如图9所示。首先，应用程序请求加载它的Enclave
图9 Enclave 的创建细节
部分到内存中；接着借助ioctl调用ECREATE指令创建文件和SECS数据结构；然后通过EADD指令将Enclave的代码加载进Enclave；每个EPC页的添加到Enclave时要使用EEXTEND指令将其度量值添加到SECS;Enclave代码加载完成后调用EINIT指令完成Enclave的初始化，固化SECS。该过程跟SECS密切相关的有ECREATE和EINIT，即本文探究的将Released Enclave改成可debug的关键所在。ECREATE指令负责创建一个独一无二的Enclave的实例，建立起线性地址的布局，以及设置Enclave的属性。这属性包括debug属性，信息保存在SECS数据结构中。而 SECS 的固化是在EINIT过程中完成，若简单的在ECREATE时修改SECS，将导致EINIT时对SECS的校验失败，从而导致Enclave创建失败。因此，下节重点介绍EINIT。
3.5.3 Enclave Init
顾名思义，EINIT指令负责Enclave init，它是创建Enclave时最后需要执行的一个ENCLS指令，执行完EINIT后，Enclave的度量值MRENCLAVE也完成了，此后应用程序可以通过EENTER指令进入Enclave运行。EINIT指令执行如图10所示，需传入3个参数：SECS、SIGSTRUCT、EINITTOKEN，其中SECS仅Enclave本身可访问，另两个
图10 EINIT过程
普通程序也可访问。大体执行步骤如下：
验证是否使用随附的公钥对SIGSTRUCT进行了签名；
检查SECS.MRENCLAVE是否等于SIGSTRUCT.HASHENCLAVE；
检查是否SIGSTRUCT.ATTRIBUTES中非保留位设置为1，而SIGSTRUCT.ATTRIBUTESMASK中非保留位设置为设置为0；
检查SIGSTRUCT.ATTRIBUTES中是否未设置仅Intel位，除非SIGSTRUCT由Intel签名；
检查SIGSTRUCT.ATTRIBUTES是否等于对SIGSTRUCT.ATTRIBUTEMASK与SECS.ATTRIBUTES进行逻辑与运算后的结果；
如果EINITTOKEN.VALID为0，则检查SIGSTRUCT是否由Intel签名；
如果EINITTOKEN.VALID为1，则检查EINITTOKEN的有效性；
如果EINITTOKEN.VALID为1，则检查EINITTOKEN.MRENCLAVE是否等于SECS.MRENCLAVE；
如果EINITTOKEN.VALID为1并且EINITTOKEN.ATTRIBUTES.DEBUG为1，则SECS.ATTRIBUTES.DEBUG必须为1；
从SIGSTRUCT取出签名的公钥进行SHA-256的Hash后产生MRSIGNER，将此MRSIGNER与EINITTOKEN.MRSINGER进行检验，通过后将MRSIGNER拷贝到SECS.MRSIGNER。同时基于SIGSTRUCT填写SECS.ISVSVN、SECS.ISVPRODID,完成SECS的初始化，固化SECS。
由上可见，若要调试Enclave，SECS.ATTRIBUTES.DEBUG必须为1，同时EINITTOKEN.ATTRIBUTES.DEBUG和SIGSTRUCT.ATTRIBUTES.DEBUG也必须为1，另外还要保证签名校验的成功。下面分别介绍SECS、SIGSTRUCT、EINITTOKEN的数据结构。
SECS在EPC中是4kB对齐的，数据结构如表3所示。我们比较关心的ATTRIBUTE域如表4所示。
表3 SECS数据结构
| Filed | Offset
(Bytes) |
Size
(Bytes) |
简介 |
| SIZE | 0 | 8 | Enclave的大小 |
| BASEADDR | 8 | 8 | Enclave线性地址的基址 |
| SSAFRAMESIZE | 16 | 4 | SSA帧的大小 |
| MISCSELECT | 20 | 4 | 位向量，用于指定在AEX时将哪些扩展特征保存到SSA.MISC |
| RESERVED | 24 | 24 | 预留 |
| ATTRIBUTES | 48 | 16 | Enclave的属性 |
| MRENCLAVE | 64 | 32 | Enclave的度量值 |
| RESERVED | 96 | 32 | 预留 |
| MRSIGNER | 128 | 32 | 签名密钥对应公钥的SHA-256 |
| RESERVED | 160 | 96 | 预留 |
| ISVPRODID | 256 | 2 | Enclave的产品ID |
| ISVSVN | 258 | 2 | Enclave的安全版本号（SVN） |
| EID | 用户设定 | 8 | Enclave ID |
| PADDING | 用户设定 | 352 | 填充 |
| RESERVED | 260 | 3836 | 预留 |
表4 ATTRIBUTES数据结构
| Field | Bit Posttion | 简介 |
| RESERVED | 0 | 预留 |
| DEBUG | 1 | 置1后，enclave允许调试器读写enclave的数据 |
| MODE64BIT | 2 | Enclave运行在64位模式 |
| RESERVED | 3 | 必须置0 |
| PROVISIONKEY | 4 | EGETKEY可获取Provisioning Key |
| EINITTOKENKEY | 5 | EGETKEY可获取EINIT token key |
| RESERVED | 63：6 | 预留 |
| XFRM | XSAVE mask |
SIGSTRUCT包含了Enclave的签名信息，SHA-256摘要的ENCLAVEHASH，3072bit长度的MODULUS、SIGNATURE、Q1、Q2，也是必须4kB对齐的。Q1、Q2的算法如下：
Q1 = floor(Signature^2 / Modulus);
Q2 = floor((Signature^3 – q1 * Signature * Modulus) / Modulus);
SIGSTRUCT数据结构如表5所示，表中的“Y”代表该域的数据需要纳入需签名的数据里。
表5 SIGSTRUCT数据结构
| Field | OFFSET
(Bytes) |
Size
(Bytes) |
简介 | Signed |
| HEADER | 0 | 16 | 必须是06000000E10000000000010000000000H | Y |
| VENDOR | 16 | 4 | Intel Enclave: 00008086H
Non-Intel Enclave: 00000000H |
Y |
| DATE | 20 | 4 | 编译日期:yyyymmdd | Y |
| HEADER2 | 24 | 16 | 必须是01010000600000006000000001000000H | Y |
| SWDEFINED | 40 | 4 | 供软件使用 | Y |
| RESERVED | 44 | 84 | 必须是0 | Y |
| MODULUS | 128 | 384 | 公钥 | N |
| EXPONENT | 512 | 4 | RSA Exponent=3 | N |
| SIGNATURE | 516 | 384 | SIGSTRUCT本身的签名 | N |
| MISCSELECT | 900 | 4 | 用于指定SSA帧扩展特征 | Y |
| MISCMASK | 904 | 4 | MISCSELECT的mask | Y |
| RESERVED | 908 | 20 | 必须是0 | Y |
| ATTRIBUTES | 928 | 16 | Enclave的属性 | Y |
| ATTRIBUTEMASK | 944 | 16 | ATTRIBUTES的mask | Y |
| ENCLAVEHASH | 960 | 32 | 本数据结构产生的MRENCLAVE | Y |
| RESERVED | 992 | 32 | 必须是0 | Y |
| ISVPRODID | 1024 | 2 | Enclave产品ID | Y |
| ISVSVN | 1026 | 2 | Enclave安全版本号 | Y |
| RESERVED | 1028 | 12 | 必须是0 | N |
| Q1 | 1040 | 384 | RSA签名校验值1 | N |
| Q2 | 1424 | 384 | RSA签名校验值2 | N |
EINITTOKEN 又称Launch Token,用来检验该Enclave是否允许启动，512 Bytes对齐，其数据结构如表6所示。EINITTOKEN是由Launch Enclave,简称LE生成，LE属于Architectural Enclave之一，由Intel编写并签名后随SGX SDK一起分发。EINITTOKEN里含有ATTRIBUTES字段，并且采用CPU内部的Launch key进行MAC，这样防止它被其他程序改变EINITTOKEN的值。这是本文需要攻破的另一个点，详见下文。
表6 EINITTOKEN数据结构
| Field | OFFSET
(Bytes) |
Size
(Bytes) |
MACed | 简介 |
| VALID | 0 | 4 | Y | Bits 0:1 Valid 0:Debug |
| RESERVED | 4 | 44 | Y | 必须是0 |
| ATTRIBUTES | 48 | 16 | Y | Enclave的属性 |
| MRENCLAVE | 64 | 32 | Y | Enclave的MRENCLAVE |
| RESERVED | 96 | 32 | Y | 预留 |
| MRSIGNER | 128 | 32 | Y | Enclave的MRSIGNER |
| RESERVED | 160 | 32 | Y | 预留 |
| CPUSVNLE | 192 | 16 | N | Launch Enclave的CPUSVN |
| ISVPRODIDLE | 208 | 2 | N | Launch Enclave的ISVPRODID |
| ISVSVNLE | 210 | 2 | N | Launch Enclave的ISVSVN |
| RESERVED | 212 | 24 | N | 预留 |
| MASKEDMISCSELECTLE | 236 | 4 | N | Launch Enclave的MASKEDMISCSELECT |
| MASKEDATTRIBUTELE | 240 | 16 | N | Launch Enclave的MASKEDATTRIBUTE |
| KEYID | 256 | 32 | N | Key的保护值 |
| MAC | 288 | 16 | N | 采用Launch key对EINITTOKEN的MAC |
4 Released Enclave to Debug静态转换法
上文3.5.1节提到在修改metadata里相关信息后可将Enclave由release版本变成可调试的debug版本，本节将详细探究，这种转换是修改Enclave ELF文件，是在Enclave运行前完成，因此称之为静态转换法。
如上文所述，Enclave的签名工具sgx_sign将所有的metadata数据保存在enclave.signed.so ELF文件里的”.note.sgxmeta”段里。metadata里保存着Enclave的所有属性，在运行时生成的SECS、TCS关键信息大部分来自于它，包括EINIT所需的EINITTOKEN也是基于它来生成，因此修改metadata里相关信息后可将Enclave由release版本变成可调试的debug版本。metadata的数据结构如表7所示，跟当前研究相关的域包括 version、attributes、enclave_css。
表7 metadata数据结构
typedef struct _metadata_t
{
uint64_t magic_num; /* The magic number identifying the file as a signed enclave image */
uint64_t version; /* The metadata version */
uint32_t size; /* The size of this structure */
uint32_t tcs_policy; /* TCS management policy */
uint32_t ssa_frame_size; /* The size of SSA frame in page */
uint32_t max_save_buffer_size; /* Max buffer size is 2632 */
uint32_t desired_misc_select;
uint32_t tcs_min_pool; /* TCS min pool*/
uint64_t enclave_size; /* enclave virtual size */
sgx_attributes_t attributes; /* XFeatureMask to be set in SECS. */
enclave_css_t enclave_css; /* The enclave signature */
data_directory_t dirs[DIR_NUM];
uint8_t data[18592];
}metadata_t;version代表metadata的版本号，如：2.3/2.1/1.4，为了兼容所有的版本，一个enclave.signed.so里包含有三段metadata，据本人实测发现，这三段metadata仅version域不一样外，其他域完全一样，同时在Ubuntu16.04上安装测试版本的PSW_2.2.100.45311仅支持1.4版本，因此本文所述的sgx_repack_tool仅生成一段version为1.4的metadata。
attributes域的sgx_attributes_t数据结构如表8所示，我们需要将flags添加上SGX_FLAGS_DEBUG 属性，即debug位置1。
表8 sgx_attributes_t数据结构
typedef struct _attributes_t
{
uint64_t flags; /* 包含有debug属性的旗标，各bit含义与Enclave Signature的一致 */
uint64_t xfrm;
} sgx_attributes_t;
/* Enclave Flags Bit Masks */
#define SGX_FLAGS_INITTED 0x0000000000000001ULL /* If set, then the enclave is initialized */
#define SGX_FLAGS_DEBUG 0x0000000000000002ULL /* If set, then the enclave is debug */
#define SGX_FLAGS_MODE64BIT 0x0000000000000004ULL /* If set, then the enclave is 64 bit */
#define SGX_FLAGS_PROVISION_KEY 0x0000000000000010ULL /* If set, then the enclave has access to provision key */
#define SGX_FLAGS_EINITTOKEN_KEY 0x0000000000000020ULL /* If set, then the enclave has access to EINITTOKEN key */
#define SGX_FLAGS_RESERVED (~(SGX_FLAGS_INITTED | SGX_FLAGS_DEBUG | SGX_FLAGS_MODE64BIT | SGX_FLAGS_PROVISION_KEY | SGX_FLAGS_EINITTOKEN_KEY))表9 enclave_css_t数据结构
typedef struct _enclave_css_t { /* 1808 bytes */
css_header_t header; /* (0) */
css_key_t key; /* (128) */
css_body_t body; /* (900) */
css_buffer_t buffer; /* (1028) */
} enclave_css_t;
typedef struct _css_buffer_t { /* 780 bytes */
uint8_t reserved[12]; /* (1028) Must be 0 */
uint8_t q1[SE_KEY_SIZE]; /* (1040) Q1 value for RSA Signature Verification */
uint8_t q2[SE_KEY_SIZE]; /* (1424) Q2 value for RSA Signature Verification */
} css_buffer_t;
其中，q1 = floor(Signature^2 / Modulus);
q2 = floor((Signature^3 - q1 * Signature * Modulus) / Modulus);表9 enclave_css_t数据结构（续）
typedef struct _css_header_t { /* 128 bytes */
uint8_t header[12]; /* (0) must be (06000000E100000000000100H) */
uint32_t type; /* (12) bit 31: 0 = prod, 1 = debug; Bit 30-0: Must be zero */
uint32_t module_vendor; /* (16) Intel=0x8086, ISV=0x0000 */
uint32_t date; /* (20) build date as yyyymmdd */
uint8_t header2[16]; /* (24) must be (01010000600000006000000001000000H) */
uint32_t hw_version; /* (40) For Launch Enclaves: HWVERSION != 0. Others, HWVERSION = 0 */
uint8_t reserved[84]; /* (44) Must be 0 */
} css_header_t;
typedef struct _css_key_t { /* 772 bytes */
uint8_t modulus[SE_KEY_SIZE]; /* (128) Module Public Key (keylength=3072 bits) */
uint8_t exponent[SE_EXPONENT_SIZE]; /* (512) RSA Exponent = 3 */
uint8_t signature[SE_KEY_SIZE]; /* (516) Signature over Header and Body */
} css_key_t;
typedef struct _css_body_t { /* 128 bytes */
sgx_misc_select_t misc_select; /* (900) The MISCSELECT that must be set */
sgx_misc_select_t misc_mask; /* (904) Mask of MISCSELECT to enforce */
uint8_t reserved[20]; /* (908) Reserved. Must be 0. */
sgx_attributes_t attributes; /* (928) Enclave Attributes that must be set */
sgx_attributes_t attribute_mask; /* (944) Mask of Attributes to Enforce */
sgx_measurement_t enclave_hash; /* (960) MRENCLAVE - (32 bytes) */
uint8_t reserved2[32]; /* (992) Must be 0 */
uint16_t isv_prod_id; /* (1024) ISV assigned Product ID */
uint16_t isv_svn; /* (1026) ISV assigned SVN */
} css_body_t;
enclave_css域代表的是Enclave Signature Structure，其代码形式的数据结构enclave_css_t如表9所示。该数据结构中必须修改body域中的attributes及对应的attribute_mask，将attributes的flags置上SGX_FLAGS_DEBUG，将attribute_mask的flags的 SGX_FLAGS_DEBUG清零；同时需要修改header域的type，将其第31位置1，代表需要debug；再将header域的module_vendor置成0，伪装成非Intel发布。因为修改header和body影响了key域的signature签名，所以须对Enclave Signature Structure进行重签名，操作时将key域的modulus置换成Enclave debug 私钥对应的公钥，再使用私钥对Enclave Signature Structure的header和body域进行签名。因为key域的改变，buffer域的q1和q2也需要根据公式
q1 = floor(Signature^2 / Modulus);
q2 = floor((Signature^3 – q1 * Signature * Modulus) / Modulus);
进行修正 。
至此，将Released Enclave转换成debug版本已经呼之欲出，我们通过编写一个sgx_repack_tool工具将上述的修改操作自动化完成，将enclave_release.signed.so的metadata的相应位域修改后生成enclave_debug.signed.so，这样通过SGX SDK发布的sgx-gdb工具可以对enclave_debug.signed.so进行调试。如图11所示，将随同 SGX SDK一起发布Samplecode的Enclave_private.pem和enclave_release.signed.so文件做为输入，经过sgx_repack_tool 工具转换后生成可debug的enclave_debug.signed.so。
图11 sgx_repack_tool
静态转换法所需的修改点，总结如表11所示。
表11 需要修改的metadata数据域
| 序号 | 数据域 |
| 1 | Metadata.version |
| 2 | Metadata.attributes.flags |
| 3 | SIGSTRUCT.TYPE |
| 4 | SIGSTRUCT.VENDOR |
| 5 | SIGSTRUCT. ATTRIBUTES |
| 6 | SIGSTRUCT.ATTRIBUTEMASK |
| 7 | SIGSTRUCT. MODULUS |
| 8 | SIGSTRUCT.SIGNATURE |
| 9 | SIGSTRUCT.Q1 |
| 10 | SIGSTRUCT.Q2 |
5 Released Enclave to Debug动态转换法
静态转换法需要事先拿到enclave_release.sign.so后转换，当运行Enclave的时候还需要在Ring0程序创建Enclave的API sgx_create_enclave将Debug_Flag 参数置1，实现上可通过HOOK Ring0的Application的sgx_create_enclave ，将其Debug_Flag参数置1。但这样使用起来存在一定的局限性，本节探究一种更高级的方法，不需要HOOK Ring0的Application,也不需要修改enclave_release.sign.so，就在用户正常使用SGX Application的时候动态修改，实现debug无感知。我们称这种方法为Released Enclave to Debug动态转换法。
动态转换法的关键是修改Enclave的SECS.ATTRIBUTES.DEBUG,但SECS对Enclave外所有程序不可见。因此从SECS的创建入手，即Enclave的ECREATE和EINIT。ECREATE负责创建SECS的EPC页，在其参数secs上直接修改两处：
- secs.attributes |= SGX_FLAGS_DEBUG
- secs.mrsigner 替换成我们自己的debug模式的公钥的sha256
即可。比较复杂的是EINIT，上文分析EINIT过程可见，EINIT所需的参数SIGSTRUCT、EINITTOKEN这两个数据结构对普通应用程序可见，SECS的初始化依赖SIGSTRUCT，如若成功在SIGSTRUCT、EINITTOKEN里修改了DEBUG属性，那么SECS.ATTRIBUTES.DEBUG也将成功被置位，这样Enclave就变得可被debug。SIGSTRUCT的修改轻而易举，修改后仅需注意使用debug 密钥重新生成新的签名即可，关键问题在于EINITTOKEN。EINITTOKEN由LE生成，生成后虽然对普通程序可见，但是其内容经过LE key签名，我们无法获取LE key,意味着修改EINITTOKEN后而没有重签名，在EINIT时对EINITTOKEN的校验将会失败。那么，能不能在EINITTOKEN生成的过程下手，将其内容篡改呢？答案是肯定的。下面分析EINITTOKEN的生成过程。
EINITTOKEN的生成逻辑如图12所示，在Linux版本的SGX中，LE 属于Architectural Enclave，随SDK一起分发，运行时受aesm（Architectural Enclave Service Manager）守护进程管理。需EINITTOKEN时，应用程序将Enclave的MRENCLAVE、MRSIGNER、ATTRIBUTES等以protobuf形式封包，通过socket方式向aesm发起请求，aesm调用LE生成EINITTOKEN，再以protobuf封装EINITTOKEN
图12 EINITTOKEN生成逻辑
通过socket方式返回给应用程序。如若在此过程中，将MRSIGNER改成我们自己debug密钥对中公钥的SHA-256，同时将ATTRIBUTES的DEBUG置位，那么将可得到具备debug功能的EINITTOKEN。另外，跟静态转换法一样，用同样的debug密钥修改SIGSTRUCT的ATTRIBUTES和相关域。动态转换法可简单的概述为：保持enclave_release.signed.so不变，在其Enclave创建的过程修改debug属性，并用自己可控的debug版本的密钥替换掉原有的released密钥信息来完成ECREATE和EINIT。实测发现，经此修改后仍出现问题，原因在于应用程序使用SGX SDK中的libsgx_urts.so做加载Enclave的初始化相关工作，如sgx_create_enclave/sgx_create_enclave_ex ，欲加载的Enclave是否采用debug模式运行以debug参数的形式传入sgx_create_enclave/sgx_create_enclave_ex API，而后借助get_misc_attr函数对欲加载的Enclave的attribute进行校验，若Enclave的metadata信息标明该Enclave为release版本，此刻的EINITTOKEN却要使能attribute的debug位，将导致校验失败，从而退出Enclave的初始化加载。因此，还要设法绕过此检测，方法也比较简单，因为函数里仅能检测debug位是否匹配，无法检测EINITTOKEN的签名信息是否正确，所以操作上仅需将生成的带debug功能的EINITTOKEN的debug位清零后供get_misc_attr函数进行校验即可。
图13 ECREATE 篡改流程
图14 EINIT 篡改流程
综上，动态转换法实现时采取HOOK SGX Driver，同时在Ring3运行SGX Debug Helper的应用程序，SGX应用程序本身不做任何修改。其中HOOK SGX Driver负责捕获请求EINITTOKEN时的报文和转发到SGX Debug Helper,同时HOOK Enclave ECREATE 和 EINIT，修改其指令参数；SGX Debug Helper负责管理签名密钥和篡改来自HOOK SGX Driver的protobuf的报文。ECREATE的流程如图13所示，在SGX Driver中HOOK ECREATE的函数，当SGX应用程序通过ioctl调用ECREATE函数时，向SGX Debug Helper程序请求debug 公钥的MRSIGNER，获取到MRSIGNER后篡改ECREATE参数secs.mrsigner和secs.attributes 。EINIT的流程如图14所示，SGX Driver HOOK socket，当SGX应用程序通过SGX SDK中的GetLauchTokenRequest函数发出请求EINITTOKEN时，将其protobuf报文转发到SGX Debug Helper,由SGX Debug Helper修改报文里的attribute和mrsigner并重新生成新的protobuf报文给SGX HOOK Driver,之后SGX HOOK Driver将新生成的protobuf报文转给aesm，aesm调用LE获取到EINITTOKEN后通过SGX SDK函数GetLaunchTokenResponse将EINITTOKEN以protobuf形式返回，同样此响应的socket被SGX HOOK Driver拦获并转发给SGX Debuge Helper, 由SGX Debuge Helper篡改响应报文——生成real EINITTOKEN和fake EINITTOKEN（针对real EINITTOKEN修改其attribute为not debug）,并将这两个token一并发送给SGX HOOK Driver,SGX HOOK Driver自己留住real EINITTOKEN,将fake EINITTOKEN 以protobuf形式发送给SGX 应用程序，此后SGX应用程序采用fake EINITTOKEN 通过get_misc_attr函数进行校验并成功，最后借助ioctl系统调用执行EINIT指令，此时SGX HOOK Drvier对EINIT参数EINITTOKEN修正为real EINITTOKEN,再篡改SIGSTRUCT参数，EINIT 成功执行，大功告成。
动态转换法的主要思想是在SGX SDK中libsgx_uae_service.so 的 oal_get_launch_token函数通过socket 以protobuf封装参数信息，向aesm请求产生EINITTOKEN前，将protobuf的信息进行篡改以产生支持debug的EINITTOKEN；同时在SGX 驱动中将ECREATE和EINIT的参数SECS和SIGSTRUCT进行修改。
请求生成EINITTOKEN的修改点：
- signature.key.modules 将其改成我们自己的debug模式的公钥；
- sgx_attributes_t.flags |= SGX_FLAGS_DEBUG.
ECREATE的修改：
将ECREATE所需参数secs进行如下修改
- secs.attributes |= SGX_FLAGS_DEBUG;
- secs.mrsigner 替换成我们自己的debug模式的公钥的sha256.
EINIT的修改：
将EINIT所需的SIGSTRUCT参数进行修改，如表12所示
表12 动态转换时SIGSTRUCT的修改处
| 序号 | 数据域 |
| 1 | SIGSTRUCT.header.header1[1] |=0x1ULL <<63 |
| 2 | SIGSTRUCT.header.vendor = 0 |
| 3 | SIGSTRUCT.body.attributes |= SGX_FLAGS_DEBUG |
| 4 | SIGSTRUCT.body.attributemask[0] &= ~SGX_FLAGS_DEBUG |
| 5 | SIGSTRUCT.modulus |
| 6 | SIGSTRUCT.signature |
| 7 | SIGSTRUCT.q1 |
| 8 | SIGSTRUCT.q2 |
6 总结
本文从SGX的工作模型入手，研究了SGX的工作原理，特别是Enclave的保护机制和它的创建过程，从Enclave的创建过程得到启发，实现了静态转换和动态转换不同的两种方法对产品级的Enclave实现了debug调试。研究是在2018年进行，基于Linux操作系统，当时SGX的最新版本是2.2，测试验证工作也是基于2.2版本进行。现在已进入20年代，SGX新版本也到了2.6，在新版本上测试验证工作留给感兴趣的读者自行完成。
参考文献
[1]Frank McKeen.Intel® Software Guard Extensions(Intel® SGX) [EB/OL].http://web.stanford.edu/class/ee380/Abstracts/150415-slides.pdf
[2]Intel.Intel® Software Guard Extensions Programming
Reference. OCTOBER 2014
[3] Alexandre Adamski. Overview of Intel SGX – Part 1, SGX Internals [EB/OL]. https://blog.quarkslab.com/overview-of-intel-sgx-part-1-sgx-internals.html
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