Semantic D2D Gateway Firewalls for Multi-Tenant Chiplet NoC Resource Isolation
Questo articolo propone un firewall semantico per gateway D2D per NoC a chiplet multi-tenant che isola efficacemente le risorse e ripristina la latenza benigna applicando controlli di policy esaustivi sulla legalità della coppia di die, la proprietà degli indirizzi, gli stati del protocollo e le epoche di replay, dimostrando al contempo zero falsi positivi/negativi e un overhead hardware minimo.
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I moderni supercomputer non sono più costruiti come un unico, massiccio blocco di silicio. Invece, gli ingegneri li assemblano come set LEGO di alta gamma, incastrando pezzi più piccoli e specializzati chiamati chiplet. Questi pezzi possono contenere processori, memoria o acceleratori specializzati, tutti compattati all'interno di un unico involucro. Per farli funzionare come una singola macchina, comunicano attraverso un complesso sistema di autostrade interne noto come network-on-chip. Questo sistema è incredibilmente veloce, ma introduce un nuovo tipo di vulnerabilità. In passato, se una parte di un computer tentava di inviare un messaggio nel posto sbagliato, doveva attraversare una scheda fisica o un lungo filo, dando al sistema il tempo di accorgersene e fermarlo. Ora, poiché tutto è impacchettato così strettamente, un messaggio anomalo può entrare nell'autostrada condivisa e iniziare a consumare spazio e velocità prima ancora che il sistema si renda conto di cosa stia accadendo. Questo è un problema critico per il cloud computing e la ricerca scientifica, dove molti utenti diversi condividono la stessa potente macchina, e l'errore o l'azione malevola di un utente potrebbe rallentare tutti gli altri.
Ricercatori dell'Information Engineering University in Cina hanno proposto una soluzione a questo problema costruendo un checkpoint intelligente proprio all'ingresso di questa autostrada interna. Chiamano questa soluzione un firewall di gateway semantico. Immaginate un guardiano all'ingresso di un ufficio molto frequentato che non si limita a controllare se avete un badge, ma verifica anche la vostra identità, la vostra destinazione e se possiate avere un pass valido per la riunione specifica a cui dichiarate di partecipare. Nel mondo dei chiplet, questa guardia si trova proprio dove un chiplet si connette alla rete principale. Prima che un pacchetto di dati sia autorizzato a entrare nel sistema condiviso, il firewall ispeziona un insieme di dettagli allegati ad esso. Controlla se i chip mittente e destinatario sono autorizzati a comunicare tra loro, se i dati sono destinati all'area di memoria corretta appartenente a quello specifico utente e se il messaggio segue le regole corrette della conversazione, come ad esempio avere un timestamp aggiornato per dimostrare che non si tratti della riproposizione di un vecchio messaggio.
Il team ha testato questa idea utilizzando simulazioni informatiche dettagliate che modellavano un ambiente multi-utente con cinque diversi tipi di modelli di traffico. Hanno creato uno scenario in cui un "malintenzionato" iniettava messaggi illegali progettati per intasare la rete. Senza il firewall, questi messaggi illegali causavano un aumento del tempo necessario affinché i dati legittimi viaggiassero da una media di circa 34 cicli a quasi 200 cicli, un rallentamento massiccio che paralizzerebbe le prestazioni. Quando i ricercatori hanno attivato il loro firewall semantico, esso ha bloccato con successo i messaggi illegali prima che potessero entrare nell'autostrada. Il risultato è stato che il traffico legittimo è tornato a fluire regolarmente, con il tempo di percorrenza tornato ai 34 cicli originali. Ciò ha dimostrato che fermare il traffico cattivo alla porta è molto più efficace che cercare di ripulirlo dopo che ha già causato congestione.
Tuttavia, bloccare semplicemente il traffico non è sufficiente se il sistema è troppo rozzo. I ricercatori volevano sapere se il loro firewall fosse abbastanza intelligente da distinguere tra un messaggio cattivo e uno buono quando entrambi appaiono molto simili. Hanno eseguito un test specifico in cui messaggi legali e illegali condividevano le stesse caratteristiche di base, come lo stesso punto di partenza e di arrivo. I metodi di sicurezza più vecchi e semplici, che controllavano solo i punti di inizio e fine, sono falliti completamente in questo scenario, lasciando passare i messi illegali. Il nuovo firewall semantico, che controllava i dettagli più profondi come lo stato interno del messaggio e la sua freschezza, ha intercettato ogni singolo messaggio illegale lasciando passare tutti quelli legali. In questi test, il sistema ha bloccato centinaia di violazioni con zero errori, il che significa che non ha mai bloccato un messaggio buono e non ha mai lasciato passare un messaggio cattivo.
Per garantire che questa idea potesse essere effettivamente costruita in hardware reale, i ricercatori hanno progettato la logica per questo firewall e l'hanno testata su una libreria di design di chip standard. Hanno scoperto che i circuiti aggiuntivi necessari per eseguire questi controlli erano sorprendentemente piccoli, occupando meno di 60 micrometri quadrati di spazio su un chip. Il tempo impiegato dalla logica per prendere una decisione era inferiore a un miliardesimo di secondo, abbastanza veloce da stare al passo con le alte velocità dei moderni processori. Ciò suggerisce che l'aggiunta di questo livello di sicurezza non richiede una ristrutturazione massiccia del design del chip né un sacrificio significativo della velocità. Il lavoro dimostra che posizionando un checkpoint intelligente e orientato ai dettagli al punto di ingresso di un sistema chiplet, gli ingegneri possono proteggere le risorse condivise degli elaboratori ad alte prestazioni, garantendo che le azioni di un utente non possano interrompere il lavoro degli altri.
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