Nitro Enclaves¶

概述¶

Nitro Enclaves（NE）是亚马逊弹性计算云（EC2）的一项新功能，允许客户在EC2实例中划分出孤立的计算环境[1]。

例如，一个处理敏感数据并在虚拟机中运行的应用程序，可以与在同一虚拟机中运行的其他应用程序分开。然后，这个应用程序在一个独立于主虚拟机的虚拟机中运行，即 enclave。

一个enclave与催生它的虚拟机一起运行。这种设置符合低延迟应用的需要。为enclave 分配的资源，如内存和CPU，是从主虚拟机中分割出来的。每个enclave都被映射到一个运行在主虚拟机中的进程，该进程通过一个ioctl接口与NE驱动进行通信。

在这个意义上，有两个组成部分。

1. 一个enclave抽象进程——一个运行在主虚拟机客体中的用户空间进程，它使用NE驱动提供的ioctl接口来生成一个enclave虚拟机（这就是下面的2）。

有一个NE模拟的PCI设备暴露给主虚拟机。这个新的PCI设备的驱动被包含在NE驱动中。

ioctl逻辑被映射到PCI设备命令，例如，NE_START_ENCLAVE ioctl映射到一个enclave 启动PCI命令。然后，PCI设备命令被翻译成在管理程序方面采取的行动；也就是在运行主虚拟机的主机上运行的Nitro管理程序。Nitro管理程序是基于KVM核心技术的。

2. enclave本身——一个运行在与催生它的主虚拟机相同的主机上的虚拟机。内存和CPU 从主虚拟机中分割出来，专门用于enclave虚拟机。enclave没有连接持久性存储。

从主虚拟机中分割出来并给enclave的内存区域需要对齐2 MiB/1 GiB物理连续的内存区域（或这个大小的倍数，如8 MiB）。该内存可以通过使用hugetlbfs从用户空间分配[2][3]。一个enclave的内存大小需要至少64 MiB。enclave内存和CPU需要来自同一个NUMA节点。

一个enclave在专用的核心上运行。CPU 0及其同级别的CPU需要保持对主虚拟机的可用性。CPU池必须由具有管理能力的用户为NE目的进行设置。关于CPU池的格式，请看内核文档[4]中的cpu list部分。

enclave通过本地通信通道与主虚拟机进行通信，使用virtio-vsock[5]。主虚拟机有 virtio-pci vsock模拟设备，而飞地虚拟机有virtio-mmio vsock模拟设备。vsock 设备使用eventfd作为信令。enclave虚拟机看到通常的接口——本地APIC和IOAPIC——从 virtio-vsock设备获得中断。virtio-mmio设备被放置在典型的4 GiB以下的内存中。

在enclave中运行的应用程序需要和将在enclave虚拟机中运行的操作系统（如内核、 ramdisk、init）一起被打包到enclave镜像中。enclave虚拟机有自己的内核并遵循标准的Linux启动协议[6]。

内核bzImage、内核命令行、ramdisk（s）是enclave镜像格式（EIF）的一部分；另外还有一个EIF头，包括元数据，如magic number、eif版本、镜像大小和CRC。

哈希值是为整个enclave镜像（EIF）、内核和ramdisk（s）计算的。例如，这被用来检查在enclave虚拟机中加载的enclave镜像是否是打算运行的那个。

这些加密测量包括在由Nitro超级管理器成的签名证明文件中，并进一步用来证明enclave 的身份；KMS是NE集成的服务的一个例子，它检查证明文件。

enclave镜像（EIF）被加载到enclave内存中，偏移量为8 MiB。enclave中的初始进程连接到主虚拟机的vsock CID和一个预定义的端口–9000，以发送一个心跳值–0xb7。这个机制用于在主虚拟机中检查enclave是否已经启动。主虚拟机的CID是3。

如果enclave虚拟机崩溃或优雅地退出，NE驱动会收到一个中断事件。这个事件会通过轮询通知机制进一步发送到运行在主虚拟机中的用户空间enclave进程。然后，用户空间enclave 进程就可以退出了。

[1] https://aws.amazon.com/ec2/nitro/nitro-enclaves/ [2] https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/mm/hugetlbpage.html [3] https://lwn.net/Articles/807108/ [4] https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/kernel-parameters.html [5] https://man7.org/linux/man-pages/man7/vsock.7.html [6] https://www.kernel.org/doc/html/latest/x86/boot.html