【机密计算顶会解读】15：LDR——面向嵌入式TEE系统的高效安全Linux驱动-优快云博客

导读：本文介绍LDR机制，其在保持TEE轻量化的同时能够高效安全复用现有Linux驱动。

原文链接：LDR: Secure and Efficient Linux Driver Runtime for Embedded TEE Systems - NDSS Symposium

LDR: Secure and Efficient Linux Driver Runtime for Embedded TEE Systems

一、背景介绍

随着物联网和嵌入式设备的普及，可信执行环境（TEE）如ARM TrustZone被广泛用于保护敏感数据和程序。然而，由于TEE相比商用操作系统如Linux内核缺少复杂驱动程序支持，使得很难实现面向I/O的TEE服务。在嵌入式TEE操作系统中，相比KNOX这种大型设计，如OP-TEE，SierraTEE采用低代码量实现安全相关服务以达到最小可信计算基（TCB），被作者称为紧凑型TEE操作系统（Compact TEE OS）。

在IO密集型的TEE服务中，有研究选择将已有设备驱动移植到TEE中，但这种方式扩大了可信计算基以及工程量。为了削减代码量，现有解决方案Driverlets使用recorder和replayer的方式实现通用的驱动服用方法；MyTEE通过虚拟化内存隔离来确保安全I/O操作。

如何在保持TEE轻量化的同时高效、安全地复用现有Linux驱动，成为待解决的核心问题。

二、现状分析

现有的解决方案面临两点问题：

现有解决方案性能开销较大。当前实现Driverlets重放记录设备驱动行为的方式让性能损失显著；MyTEE因设计世界切换和hypercall，使得在处理高频率I/O请求的设备时会有高性能开销
支持设备有限。Driverlets难以满足复杂设备驱动的请求，QEMU中只支持一部分硬件模型。

本论文的目标是在紧凑型TEE操作系统中，设计一套能安全、高效地复用现有设备驱动的机制，让系统拥有设备驱动能力的同时，达到低水平的TCB。

三、应对设计

论文提出Linux驱动运行时（LDR），其包含离线阶段（offline phase）和运行时阶段（runtime phase）。

离线阶段：生成普通世界（NW）和安全世界（SW）和双驱动。NW驱动目的是辅助SW驱动的执行。SW驱动会进行初始化配置和虚拟文件系统（VFS）函数去除操作，并将SW驱动使用的库函数进行替换，以及生成RPC stubs重定向子系统函数调用。

运行时阶段：NW和SW驱动协作完成SW驱动支持，SW驱动加载到LDR中，与安全外设进行交互并为SW组件提供安全I/O服务。

因为SW驱动包含大量的代码，为简化TCB，论文设计了一个隔离执行环境去保护安全操作系统。该隔离执行环境包含三点内容：

隔离执行域（IED），为一组功能相关的SW驱动创建隔离执行域，阻止这些驱动访问安全OS和其他IED的内存区域。
IED门控，拦截并代理SW驱动发出的每个依赖函数调用，并加入依赖函数调用验证确保控制流完整性（CFI）。
驱动状态维护方案，安全的维护SW和NW驱动状态，确保在驱动初始化和执行的过程中，SW驱动的敏感信息不会泄露到Linux内核。

四、技术解析

驱动生成相关：

VFS和初始化函数移除：利用GCC死代码消除技术。
库函数替换：将Linux内核基础函数映射至TEE OS的等效实现。
子系统函数重定向：对设备管理、时钟等复杂函数，生成SW/NW RPC桩。SW桩通过共享内存传递参数至NW代理，触发SMC（Secure Monitor Call）切换至普通世界执行，返回时验证结果完整性（如内存地址合法性）。

沙盒隔离相关：

基于ARM 域访问控制（DAC），LDR为每个驱动分配独立域（Domain 3-15），通过DACR寄存器动态配置内存访问权限：
域隔离：驱动代码/数据段仅允许所属域和IED门控（Domain 2）访问，TEE内核（Domain 0）默认不可见。
门控代理：所有TEE函数调用需经IED门控，切换至安全栈并临时开放Domain 0访问权限，执行后恢复隔离。
控制流完整性（CFI）：在驱动加载阶段，记录合法调用点与目标地址的映射表。运行时，门控验证调用地址是否匹配记录，拦截非法跳转（如ROP攻击）。

五、验证评估

测试包含：（1）TCB评估；（2）性能评估；（3）CVE案例研究。实验环境为NXP IMX6Q SABRE-SD评估板。

TCB：TCB增加量小，基于OP-TEE的实现中，LoC增加1.8%，二进制体积增加5.65%。
性能方面：在OPTEE xtest中展现出可忽略的性能开销；在跨世界调用开销（CPC）上，使用指针进行参数传递的函数调用平均延迟为140.29 μs；在多处现实设备对比中均展现出与原设备驱动相近水平，以720P视频流处理为例，仅增加了2.43%的延迟。
CVE案例研究：结果显示，在一个包含缓冲溢出漏洞（该漏洞与很多CVE相关，如2021-28972, 2020-12653, 2018-3580）的SW驱动中，LDR也能防止内存损坏以及ROP攻击。

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