【機密運算解決方案巡禮：微軟】提供最多元的機密運算應用

關於伺服器虛擬化平臺的系統安全防護，微軟早在2013年推出的Windows Server 2012 R2，開始支援安全開機，接著，在2015年發布Windows Server 2016技術預覽版時，展示受保護VM（Shielded VM）、主機守護者服務（HGS）等一系列功能。

而關於機密運算的發展，微軟英國劍橋研究院從2015年開始有學者發表相關論文，此外，隨著微軟將重心放在Azure雲端服務，2017年9月該公司技術長暨技術院士Mark Russinovich宣布，他們推出一系列資料安全的功能與服務，稱為Azure Confidential Computing（ACC），並開放先期試用計畫，將提供公有雲服務先前缺乏的資料保護機制，那就是針對使用中的資料實施加密，讓雲端服務處理的資料，能在具有擔保的方式下，處於用戶掌控的狀態。

提供軟體型與硬體型信任執行環境

在機密運算的軟體與硬體的發展上，微軟在2017年發布消息指出，已累積4年以上的努力，投入單位有Azure團隊、微軟研究院、Windows團隊、開發者工具事業群，以及處理器廠商英特爾。

基於上述單位的合作，微軟發展能讓開發者善用多個信任執行環境（TEE）的平臺，而且開發者不需調整程式碼。微軟表示，初期將支援兩種TEE。

其中之一是軟體型TEE，稱為虛擬安全模式（Virtual Secure Mode，VSM），是在Windows 10與Windows Server 2016作業系統實作──在內建的虛擬化平臺Hyper-V中，針對具有系統管理者權限層級的程式碼執行，提供PC或伺服器預防機制，在這樣的保護之下，無論是本機系統管理員與雲端服務的系統管理員，均無法檢視VSM安全區（enclave）的內容或修改當中的執行方式。

另一是硬體型TEE，是基於Intel SGX技術而成的作法，微軟將在公有雲環境搭配內建SGX功能執行個體服務），以提供這項保護。

當時，微軟也表示，正與其他軟硬體廠商合作開發TEE，還提供工具、軟體開發套件，以及Windows與Linux等兩大OS支援。

在此同時，微軟也將安全區的概念用於幾種領域。在區塊鏈業保護上，他們在2017年8月推出機密聯盟區塊鏈框架（Coco）；針對資料庫的存取保護，微軟也以此實作「使用中加密（encryption-in-use）」的功能，可適用於Azure SQL Database與SQL Server。

而這技術其實也是SQL Server的一律加密（Always Encrypted）功能強化，可確保微軟資料庫能夠全程、持續加密，而無損於SQL查詢的使用。

【微軟機密運算解決方案與發展策略總覽】相較於目前市面上的機密運算平臺，微軟憑藉自身的研究、與多家廠商的合作，打造出一個涵蓋層面更為廣泛、多元的應用生態，從串連其他業者組成機密運算聯盟、支援3大處理器平臺、推出執行個體與物聯網設備支援，到發展出上層的各式資料應用服務、公用服務、軟體開發套件，成果斐然。（圖片來源／微軟）

推出支援Intel SGX的執行個體服務，實現機密運算應用

到了2018年5月，微軟進一步闡釋Azure Confidential Computing的定位。Mark Russinovich表示，鎖定雲端服務處理資料的應用保護需求，也是微軟機密雲（Confidential Cloud）願景的基礎。

而在推動機密運算的方法上，他也提到硬體、軟體、服務等6大關鍵。以硬體與運算而言，Azure將推出DC系列執行個體服務，採用內建SGX技術的Xeon E處理器，用戶可在雲端服務執行支援SGX的應用程式，保護程式碼與資料的機密性與完整性；在軟體開發的部份，微軟與多家廠商開發橫跨硬體TEE與軟體TEE的API，讓程式碼具有可移植性，同時，也提供相關工具與除錯支援，協助這類程式的開發與測試──初期能以C或C++語言，搭配Intel SGX SDK，以及安全區API來組建應用程式。

在服務與應用案例上，微軟表示，可結合多資料源，支援安全機器學習。

在2018年9月舉行的Ignite全球用戶大會後，微軟宣布DC系列執行個體服務將提供公開預覽版，也推出開原碼的軟體開發套件Open Enclave SDK，提供一致的API介面與安全區抽象化設計，他們預告後續版本將支援Arm TrustZone，提供更多執行時期元件與Windows支援，以確保這套SDK能廣泛應用，可橫跨不同安全區技術，以及雲、混合雲、邊緣運算、內部等環境的使用。

為強化物聯網與跨平臺能力，這套SDK整合Azure IoT Edge安全性管理員，如此一來，採用Azure IoT Edge平臺的開發者，在撰寫受信任的應用程式時，搭配的信任根可置於基於安全晶片而成的TEE，而且，實際應用上，可涵蓋Intel SGX、Arm TrustZone，以及採用Linux與Windows系統的嵌入式安全元件（eSE）。

【推出支援機密運算的執行個體服務】在機密運算領域，微軟與英特爾長期合作，運用該公司支援SGX的Xeon E系列處理器，推出專用的執行個體服務，未來隨著支援SGX的第三代Xeon Scalable系列處理器的普及，以及AMD第三代EPYC處理器的採用，勢必可為其雲端服務用戶提供選擇更豐富的機密運算環境。（圖片來源／微軟）

翻新執行個體，拓展更多應用服務

在2019年下半，微軟與其他廠商成立機密運算聯盟。隔年，新一代DC系列執行個體服務DCsv2正式上線。

此時，他們也拉攏更多安全區技術相關的應用廠商，像是：Fortanix、Anjuna、Anqlave，他們的機密運算產品都在Azure市集上架，並宣布3個企業使用案例，分別是加密即時通訊軟體廠商Signal、加密貨幣業者MobileCoin，以及區塊鏈數位資產交易公司Fireblocks。

到了下半年舉行Ignite大會之後，微軟強調，他們是最先推出機密運算解決方案的公有雲，而且提供多種服務選擇。

整體而言，微軟除了先前推出的機密執行個體、機密機器學習，以及機密IoT Edge設備，從2020年9月起，也開始提供機密容器──Confidential Computing Nodes on Azure Kubernetes Service，而在Azure SQL Database資料庫服務上，也將增設機密運算相關功能。

在機密運算的應用服務部分，微軟也在此時宣布與展示多種解決方案，像是全代管硬體安全模組金鑰管理服務：Azure Key Vault Managed HSM，驗證平臺可信度與二進位碼完整性的見證服務：Azure Attestation。

他們也公布機密推論（Confidential Inference）的開發專案，協同微軟研究院、Azure機密運算、Azure機器學習，以及微軟針對機器學習模型格式ONNX（Open Neural Network Exchange）所開發的執行時期元件軟體專案，提供資料加密與見證功能，限制機器學習主機不能同時存取推論請求與回傳的反應。

而在運算平臺的部份，IoT Edge搭配安全區的作法此時正式推出，若用戶須將敏感資產與工作負載，部署至支援安全區的IoT Edge設備，可提供保護。

順應英特爾隔年將推出內建SGX的第三代Xeon Scalable系列處理器，微軟也趁機宣布先期採用計畫。

對於市面上另一個可提供機密運算能力的伺服器處理器平臺：AMD EPYC系列，在2021年3月AMD發表第三代產品（EPYC 7003系列）之際，微軟終於宣布支援的消息，並標榜他們將是第一家採用這款產品來提供機密VM服務的公有雲業者，用戶可運用新增的安全加密虛擬化-安全巢狀記憶體分頁技術（SEV-SNP），透過建立TEE來保護虛擬機器，微軟目前已開放受限預覽版申請。

機密運算服務的部份，微軟於2月釋出機密帳本服務Azure Confidential Ledger封閉預覽版，針對記錄保留、稽核、資料透明度，提供敏感資料儲存的註冊與防竄改機制，5月已發布公開預覽版本。

【發展多樣的機密運算應用服務】從2020年下半至今，微軟陸續宣布多種結合或支援機密運算的服務，在性質上，可再細分為基礎架構型（上圖），以及資料應用型（下圖）等兩大類，能夠分別針對驗證與金鑰管理需求，以及各種資料處理的情境，針對正在使用的資料提供保護的功能。（圖片來源／微軟）