MlsDisk: Trusted Block Storage for TEEs Based on Layered Secure Logging (FAST 2026)
一句话总结：把 TEE 安全虚拟磁盘从 SGX-PFS 的 in-place Merkle Hash Tree 换成四层抽象的 log-structured 设计，在保留 CIFC（confidentiality/integrity/freshness/consistency）的前提下，对 SGX-PFS 取得 7.3-21.1× FIO microbench 提升与 1.4-3.6× trace-driven 提升。
问题
TEE（SGX、SEV 等）保证内存级安全，但落盘还得靠软件防护。SOTA 是 SGX-PFS：用 Merkle-Hash-Tree 包住所有数据块，每次写都得从 leaf 级联更新到 root，再加 recovery journal，写放大达到 2H。CryptDisk 只保证 CI 但不防 rollback；SecureFS 加 freshness 但仍 in-place。NaiveLog（strawman）把所有写做成 chained-MAC log，性能好但没有 index 也没有 GC，读 unbounded、空间 unbounded。难点在于：直接把 LevelDB/RocksDB 这种全功能 LSM 移植进 TEE，难以严格证明 CIFC（Speicher 就只做到 CIF）。
核心方法
MlsDisk = layered secure logging：把 log-structured 存储与安全机制拆成四层互相 build-on，每层只为自己的数据 payload 加密签名，metadata 交由下层托管。
- L3 Block I/O (BIO)：暴露标准 block 接口；用户数据 4 KiB 分块，加密 + AES-GCM MAC，HBA 顺序分配；维护 LBT(LBA→HBA)、RIT(逆向)、BVT(bitmap) 等元数据，全部交给 L2/L1 持久化。
- L2 KV Store (TxKV)：自实现的 LSM-Tree（MemTable + SSTable + WAL），结构操作（compaction 等）走事务，所有 SSTable/WAL 实例化为 L1 的 TxLog。
- L1 Log Store (TxLogStore)：append-only TxLog + TxLogTable，TxLog 内嵌 Merkle-Hash-Tree，提供 ACD（无 Isolation，靠命名/写互斥规避冲突）。
- L0 Journal (EditJournal)：CryptoChain（chained-MAC append）+ CryptoBlob（周期 snapshot）持久化 L1 的 TxLogTable。是整套系统的 root-of-trust。
安全推理通过 4 个 claim 链式归约到 root key：每层 CIF 都建立在下层 CIF 之上。Crash recovery 从 L0 反向重建到 L3。GC 用 LFS/F2FS 风格 greedy + delayed reclamation，事务原子性由 L1 兜底。两个扩展：master sync ID 防整盘 rollback（irreversibility）；per-KV/SST sync ID 防 eviction attack（atomicity）。
关键结果
- FIO microbench 较 SGX-PFS：7.3-21.1× 写吞吐。
- Trace-driven workload：1.4-3.6× 提升。
- Append-only log 仅占总存储 <2%，消除 SGX-PFS 的全盘 MHT 写放大。
- Rust 实现，集成到 Linux+SEV、Occlum+SGX、Asterinas。
- 模块化层次便于安全证明（每层独立证明 CIF）。
相关
- 相关概念：TEE、Merkle-Hash-Tree、LSM-Tree、Authenticated-Encryption、Log-Structured-Storage
- 同类系统：SGX-PFS、Speicher、SecureFS、CryptDisk、Occlum
- 同会议：FAST-2026