SGX性能实验

时间：2023-01-11 16:24:09

SGX实验报告​

一．实验目标​

了解采用SGX可信任环境后对应用和目标主机产生的性能影响有多少。​

二．实验准备​

Microsoft Window10 21H2版本主机一台，​

处理器：Intel Core（TM）i5-9500F ​​CPU@3.00GHZ​​​

64位操作系统，内存16GB​

SGX性能实验


代码编译环境：vs2015专业版或者Clion2021​

SGX性能实验


SGX插件相关版本​

Intel ME版本：ME_SW_1909.12.0.1237​

SDK版本：Intel SGX SDK for Windows v2.12.100.4​

PSW版本：Intel SGX PSW for Windows v2.12.100.4​

三．实验过程​

3.1 不使用SGX插件运行相关计算程序​

小程序：计算一万以内的素数，（循环10000次）​

程序源码：​

  1. //​
  2. // Created by hudengfeng on 2023/1/9.​
  3. //​
  4. #include <iostream>​
  5. #include <time.h>​
  6. using namespace std;​

  8. // 计算10000以内的素数​
  9. void calculate_prime(){​
  10. int i,j,k=0;//i是2-10000待确认是否为素数的数，j表示i的因子，k表示素数的个数​
  11. for(i=2;i<10000;i++){​
  12. for(j=2;j*j<=i;j++){​
  13. if(i%j==0)//判断i是否能被1和本身以外的数整除，%表示求余​
  14. break;//break跳出第二个for循环​
  15. }​
  16. if(j*j>i){​
  17. cout<<i<<" ";​
  18. k++;//每增加一个素数k就加1​
  19. if(k%10==0) //一行打印10个数之后换行​
  20. {​
  21. cout<<endl;​
  22. }​
  23. }​
  24. }​
  25. }​
  26. void exe(){​
  27. clock_t start, finish;​
  28. double duration;​
  29. start = clock();​
  30. for (int j = 0; j < 10000; ++j) {​
  31. calculate_prime();​
  32. }​
  33. finish = clock();​
  34. duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;​
  35. cout<<endl;​
  36. cout<<"计算累计用时："<<duration<<"秒"<<endl;​
  37. }​

  39. int main(){​
  40. // cout << "hello world!"<<endl;​
  41. exe();​
  42. return 0;​
  43. }​

正常情况cpu使用率：20%（均值）​

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运行程序cpu使用率：70%（均值）​

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代码运行结果（10次）​

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11.732s、13.635s、16.017s、12.544s、14.327s​

11.515s、14.301s、12.988s、15.251s、12.677s​

均值：13.499s​


3.2 使用SGX插件运行相关计算程序​

基本原理：​

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SGX程序分为两部分，一部分是app应用，也就是不可信区，一部分是enclave应用，也就是可信区，非可信区只能通过 ECALL 函数调用可信区内的函数，可信区只能通过 OCALL 函数调用非可信区的函数，ECALL 函数和 OCALL 函数通过 EDL 文件声明。​

程序目录结构：​

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App 目录内为不可信区域代码，包括 main 入口、OCALL 函数内具体逻辑代码等等。​

Enclave 目录为可信区域代码，包括 ECALL 函数内具体逻辑代码实现。​

Enclave.lds:EDL(Enclave Description Language) 文件。​

Enclave_private.pem:enclave.so 的签名私钥。​

Enclave.config.xml:Enclave 配置文件，如堆栈大小、是否可等。​

Enclave.h & Enclave.cpp:应用安全区代码实现。​

Include目录是不可信代码和可信代码共享的头文件。​

在app程序中通过ecall函数调用enclave程序的calculate函数来计算结果，然后把计算的结果通过ocall函数返回给app程序，然后app程序把结果打印出来。​

编译运行：​

1.通过 sgx_edger8r 工具在 App/ 目录下生成不可信代码(Enclave_u.c 和 Enclave_u.h)，这部分生成代码主要会调用 ECALL (sgx_ecall)；​

2.编译不可信部分 Binary: app；​

3.通过sgx_edger8r 工具在 Enclave/ 目录下生成可信代码(Enclave_t.c 和 Enclave_t.h)；​

4.编译可信动态链接库(enclave.so)；​

5.通过sgx_sing工具签名可信动态链接库(enclave.signed.so)；​

6.结束。​

编译后的代码目录结构：​

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实验结果：​

正常情况cpu使用率：20%（均值）​

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运行程序cpu使用率：80%（均值）​

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代码运行结果（10次）​

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17.496s、12.854s、14.327s、15.635s、14.324s​

12.432s、11.543s、15.398s、18.534s、13.264s​

均值：14.580s​

3.3 enclave安全区多次切换​

核心程序源码：​

App.cpp​

  1. #include <stdio.h>​
  2. #include <string.h>​
  3. #include <assert.h>​
  4. #include <time.h>​
  5. # include <unistd.h>​
  6. # include <pwd.h>​
  7. # define MAX_PATH FILENAME_MAX​

  9. #include "sgx_urts.h"​
  10. #include "App.h"​
  11. #include "Enclave_u.h"​
  12. using namespace std;​
  13. /* Global EID shared by multiple threads */​
  14. sgx_enclave_id_t global_eid = 0;​

  16. int initialize_enclave(void)​
  17. {​
  18. sgx_status_t ret = SGX_ERROR_UNEXPECTED;​

  20. /* 调用 sgx_create_enclave 创建一个 Enclave 实例 */​
  21. /* Debug Support: set 2nd parameter to 1 */​
  22. ret = sgx_create_enclave(ENCLAVE_FILENAME, SGX_DEBUG_FLAG, NULL, NULL, &global_eid, NULL);​
  23. if (ret != SGX_SUCCESS) {​
  24. printf("Failed to create enclave, ret code: %d\n", ret);​
  25. return -1;​
  26. }​

  28. return 0;​
  29. }​

  31. /* 应用程序入口 */​
  32. int SGX_CDECL main(int argc, char *argv[])​
  33. {​
  34. (void)(argc);​
  35. (void)(argv);​

  37. clock_t start, finish;​
  38. double duration;​
  39. start = clock();​


  42. /* 创建并初始化 Enclave */​
  43. if(initialize_enclave() < 0){​
  44. printf("Enter a character before exit ...\n");​
  45. getchar();​
  46. return -1;​
  47. }​

  49. /* ECALL 调用 */​
  50. /*计算10000以内的素数*/​
  51. for (int i = 0; i < 10; ++i) {​
  52. ecall_calculate_from_enclave(global_eid);​
  53. }​
  54. finish = clock();​
  55. duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;​
  56. cout<<"计算累计用时："<<duration<<"秒"<<endl;​
  57. /* 销毁 Enclave */​
  58. sgx_destroy_enclave(global_eid);​

  60. printf("Info: SampleEnclave successfully returned.\n");​

  62. printf("Enter a character before exit ...\n");​
  63. getchar();​
  64. return 0;​
  65. }​

Enclave.cpp​

  1. void ecall_calculate_from_enclave(){​
  2. for (int j = 0; j < 1000; ++j) {​
  3. calculate_prime();​
  4. }​
  5. }​

由以上App.cpp（51-53行）程序可以看出,还是计算10000以内的素数（10000次），但是Enclave.cpp当中只计算了1000次。app.cpp当中有10次循环调用ecall函数​

实验结果：​

正常情况cpu使用率：20%（均值）​

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运行程序cpu使用率：84%（均值）​

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代码运行结果（10次）​

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22.065s、24.905s、25.687s、21.522s、18.417s​

21.592s、20.666s、21.845s、21.499s、18.457s​

均值：21.666s​


3.4 enclave的epc内存测试​


首先修改编译器设置，默认堆栈区大小是1M，如果不想使用堆栈，可在全局区使用大数组，前面加上static即可。需要在图形化界面修改堆栈保留大小这个字段。单位是bit，这里改成256MB，也就是256*1024*1024*8。也可在CMakeLists.txt添加下面2行，就可以达到修改堆栈内存大小的效果。​

MATH(EXPR stack_size "256*1024*1024")单位是字节​

set(CMAKE_EXE_LINKER_FLAGS "-Wl,--stack,${stack_size}")​

也可通过图形化界面修改，在vs2015在项目的属性，找到链接器的系统这一栏，​

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3.4.1 不使用enclave单独跑带有大数组的程序​

在3.4.1执行函数中新增代码（5-10行）​

  1. void exe(){​
  2. clock_t start, finish;​
  3. double duration;​
  4. start = clock();​
  5. int a[4096][4096] = {0};​
  6. int b[4096][4096] = {1};​
  7. a[0][0] = 1;​
  8. size_t num = sizeof(a);​
  9. a[0][1] = num;​
  10. b[0][0] = a[0][1];​
  11. for (int j = 0; j < 10000; ++j) {​
  12. calculate_prime();​
  13. }​
  14. finish = clock();​
  15. duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;​
  16. cout<<endl;​
  17. cout<<"计算累计用时："<<duration<<"秒"<<endl;​
  18. }​

申请了一个两个4096*4096的int类型大数组，初始化值为0，一个大数组内存应该是4*4*4=96MB，两个是192MB,超过了128MB,然后开始跑程序。​






实验结果：​

正常情况cpu使用率：20%（均值）​

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运行代码程序后cpu使用率：84%（均值）​

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代码运行结果（10次）​

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17.744s、16.946s、20.974s、17.409s、17.022s​

20.746s、16.785s、21.114s、18.742s、18.965s​

均值：18.645s​

3.4.2 使用enclave跑带有大数组的程序​

将上述带有大数组的代码复制到Enclave.cpp当中（写在循环外面），​

核心代码：​

  1. void ecall_calculate_from_enclave(){ ​
  2. int a[4096][4096] = {0};​
  3. int b[4096][4096] = {1};​
  4. a[0][0] = 1;​
  5. size_t num = sizeof(a);​
  6. a[0][1] = num;​
  7. b[0][0] = a[0][1];​
  8. for (int j = 0; j < 10000; ++j) {​
  9. calculate_prime();​
  10. }​
  11. }​




实验结果：​

正常情况cpu使用率：20%（均值）​

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运行代码程序后cpu使用率：90%（均值）​

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代码运行结果（10次）​

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26.264s、26.043s、24.434s、28.206s、23.204s​

22.236s、26.238s、25.232s、23.364s、24.652s​

均值：24.987s​


四.实验结论​

通过上述实验可以发现使用SGX安全插件的app应用来计算10000以内的素数（10000次）用的时间比不使用插件要多，cpu使用率也要高一些，但是性能损耗在5%到10%之间，性能损耗可以接受。如果频繁使用ecall函数或者ocall函数，在可信区和非可信区之间进行切换，会有比较明显的性能消耗，性能损耗在20%以上。当epc内存过大也会明显影响主机的性能。性能损耗20%以上。​


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