[論文レビュー] A Multi-Core Processor Platform for Open Embedded Systems

Hiroaki Inoue|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2010

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ハードウェア支援によるセキュアなプロセッサパーティーティションと4つの新技術（シームレス通信、非対称仮想化、セキュアな動的パーティション割り当て、レガシーおよびオープンアプリケーションのセキュア実行）を活用することで、スケーラビリティとセキュリティを両立するマルチコアプロセッサプラットフォームを提案する。このプラットフォームは、ソフトウェアの変更なしに、共有ハードウェア上で複数のオペレーティングシステムをセキュアかつ効率的に実行可能である。

ABSTRACT

Recent proliferation of embedded systems has generated a bold new paradigm, known as open embedded systems. While traditional embedded systems provide only closed base applications (natively-installed software) to users, open embedded systems allow the users to freely execute open applications (additionally-installed software) in order to meet various user requirements, such as user personalization and device coordination. Key to the success of platforms required for open embedded systems is the achievement of both the scalable extension of base applications and the secure execution of open applications. Most existing platforms, however, have focused on either scalable or secure execution, limiting their applicability. This dissertation presents a new secure platform using multi-core processors, which achieves both scalability and security. Four techniques feature the new platform: (1) seamless communication, by which legacy applications designed for a single processor make it possible to be executed on multiple processors without any software modifications; (2) secure processor partitioning with hardware support, by which Operating Systems (OSs) required for base and open applications are securely executed on separate processors; (3) asymmetric virtualization, by which many OSs over the number of processors are securely executed under secure processor partitioning; and (4) secure dynamic partitioning, by which the number of processors allocated to individual OSs makes it possible to be dynamically changed under secure processor partitioning.

研究の動機と目的

• ユーザーがカスタマイズ可能なアプリケーションをサポートしつつも、システムのセキュリティを維持する必要が高まるオープン埋め込みシステムのニーズに対応すること。
• スケーラビリティとセキュリティの両方を重視しない既存のプラットフォームの制限を克服すること。
• マルチコアプロセッサを用いて、セキュアで拡張性のあるオープン埋め込みシステム用のプラットフォームを設計すること。
• レガシー単一プロセッサアプリケーションを変更なしにマルチコアアーキテクチャ上でシームレスに実行できること。
• 複数のオペレーティングシステムに対して、動的かつセキュアなプロセッサリソースの割り当てを可能にすること。

提案手法

• プロセッサの分散を抽象化する通信レイヤーを用いることで、ソフトウェア変更なしにレガシーアプリケーションとマルチコアシステム間のシームレスな通信を実現する。
• ベースアプリケーションとオープンアプリケーションのオペレーティングシステムを別々のコアに隔離する、ハードウェア支援によるセキュアなプロセッサパーティショニングを実装する。
• 時間割り当て多重を用いて物理コア数より多くのオペレーティングシステムを実行できる非対称仮想化を適用し、隔離性とセキュリティを維持する。
• 実行時におけるプロセッサリソースの再構成を可能にするセキュアな動的パーティション割り当てを導入し、移行中もセキュリティを保持する。
• ハードウェアによる強制的隔離を用いて、オープンアプリケーションがベースシステムの機能や他のオペレーティングシステムに影響を与えないように保証する。
• これらの技術を統合し、オープン埋め込み環境における後方互換性と拡張性を両立した統合プラットフォームを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レガシー単一プロセッサアプリケーションを変更なしにマルチコアシステムで実行する方法は何か？
• RQ2 共有マルチコアハードウェア上で複数のオペレーティングシステムを安全に隔離して実行する方法は何か？
• RQ3 物理コア数より多くのオペレーティングシステムを、セキュリティを維持したままサポートできるか？
• RQ4 セキュリティを損なわずに、実行時におけるプロセッサリソースの割り当てを動的に調整できるか？
• RQ5 オープン埋め込みシステムにおいて、スケーラビリティと強力なセキュリティを両立できるプラットフォームは構築可能か？

主な発見

• プラットフォームは、変更なしにレガシーアプリケーションをマルチコアシステム上で実行可能であり、後方互換性を確保する。
• ハードウェア支援によるセキュアなプロセッサパーティショニングは、ベースおよびオープンアプリケーションのオペレーティングシステムを効果的に隔離し、干渉を防止した。
• 非対称仮想化により、時間割り当てスケジューリングを用いて物理コア数より多くのOSインスタンスを安全に実行できる。
• セキュアな動的パーティション割り当てにより、OS間でのプロセッサリソースの動的調整が可能となり、柔軟なワークロード管理を可能にする。
• 4つの技術を統合した結果、オープン埋め込み環境に適したセキュアでスケーラブルかつ拡張性のあるプラットフォームが実現された。
• 本プラットフォームは、オープン性と強力なセキュリティを両立する必要がある実世界の埋め込みシステムにおいて、実現可能性と実用性を示した。