lLTZVisor: a lightweight TrustZone-assisted hypervisor for low-end ARM devices

Abstract

Virtualization is a well-established technology in the server and desktop space and has recently been spreading across different embedded industries. Facing multiple challenges derived by the advent of the Internet of Things (IoT) era, these industries are driven by an upgrowing interest in consolidating and isolating multiple environments with mixed-criticality features, to address the complex IoT application landscape. Even though this is true for majority mid- to high-end embedded applications, low-end systems still present little to no solutions proposed so far. TrustZone technology, designed by ARM to improve security on its processors, was adopted really well in the embedded market. As such, the research community became active in exploring other TrustZone’s capacities for isolation, like an alternative form of system virtualization. The lightweight TrustZone-assisted hypervisor (LTZVisor), that mainly targets the consolidation of mixed-criticality systems on the same hardware platform, is one design example that takes advantage of TrustZone technology for ARM application processors. With the recent introduction of this technology to the new generation of ARM microcontrollers, an opportunity to expand this breakthrough form of virtualization to low-end devices arose. This work proposes the development of the lLTZVisor hypervisor, a refactored LTZVisor version that aims to provide strong isolation on resource-constrained devices, while achieving a low-memory footprint, determinism and high efficiency. The key for this is to implement a minimal, reliable, secure and predictable virtualization layer, supported by the TrustZone technology present on the newest generation of ARM microcontrollers (Cortex-M23/33).

Virtualização é uma tecnologia já bem estabelecida no âmbito de servidores e computadores pessoais que recentemente tem vindo a espalhar-se através de várias indústrias de sistemas embebidos. Face aos desafios provenientes do surgimento da era Internet of Things (IoT), estas indústrias são guiadas pelo crescimento do interesse em consolidar e isolar múltiplos sistemas com diferentes níveis de criticidade, para atender ao atual e complexo cenário aplicativo IoT. Apesar de isto se aplicar à maioria de aplicações embebidas de média e alta gama, sistemas de baixa gama apresentam-se ainda com poucas soluções propostas. A tecnologia TrustZone, desenvolvida pela ARM de forma a melhorar a segurança nos seus processadores, foi adoptada muito bem pelo mercado dos sistemas embebidos. Como tal, a comunidade científica começou a explorar outras aplicações da tecnologia TrustZone para isolamento, como uma forma alternativa de virtualização de sistemas. O "lightweight TrustZone-assisted hypervisor (LTZVisor)", que tem sobretudo como fim a consolidação de sistemas de criticidade mista na mesma plataforma de hardware, é um exemplo que tira vantagem da tecnologia TrustZone para os processadores ARM de alta gama. Com a recente introdução desta tecnologia para a nova geração de microcontroladores ARM, surgiu uma oportunidade para expandir esta forma inovadora de virtualização para dispositivos de baixa gama. Este trabalho propõe o desenvolvimento do hipervisor lLTZVisor, uma versão reestruturada do LTZVisor que visa em proporcionar um forte isolamento em dispositivos com recursos restritos, simultâneamente atingindo um baixo footprint de memória, determinismo e alta eficiência. A chave para isto está na implementação de uma camada de virtualização mínima, fiável, segura e previsível, potencializada pela tecnologia TrustZone presente na mais recente geração de microcontroladores ARM (Cortex-M23/33).