[論文レビュー] Safe and Efficient Remote Application Code Execution on Disaggregated NVM Storage with eBPF

Kornilios Kourtis, Animesh Trivedi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2020

Security and Verification in Computing参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、eBPFの検証済みでセキュアなサンドボックス実行環境と高いパフォーマンスを活用し、分散型NVMストレージにおける安全で効率的かつ汎用的なリモートコード実行を実現する手法を提案している。これにより、ネットワーク上のデータ移動量が削減される。プロトタイプは、インクリメントやバイナリサーチュのようなオペレーションをオフロードする可能性を実証し、ストレージデバイス上で直接論理処理を実行することで、I/Oのオーバーヘッドを顕著に低減した。

ABSTRACT

With rapid improvements in NVM storage devices, the performance bottleneck is gradually shifting to the network, thus giving rise to the notion of "data movement wall". To reduce the amount of data movement over the network, researchers have proposed near-data computing by shipping operations and compute-extensions closer to storage devices. However, running arbitrary, user-provided extensions in a shared, disaggregated storage environment presents multiple challenges regarding safety, isolation, and performance. Instead of approaching this problem from scratch, in this work we make a case for leveraging the Linux kernel eBPF framework to program disaggregated NVM storage devices. eBPF offers a safe, verifiable, and high-performance way of executing untrusted, user-defined code in a shared runtime. In this paper, we describe our experiences building a first prototype that supports remote operations on storage using eBPF, discuss the limitations of our approach, and directions for addressing them.

研究の動機と目的

• 高速なNVMストレージと遅延の高いネットワークリンクの間の性能格差が引き起こす増大する「データ移動の壁」に対処すること。
• 共有でリモートなNVMストレージデバイス上で、ユーザー定義コードの安全で効率的かつ汎用的な実行を可能にすること。
• 成熟した検証済みでパフォーマンスに優れたeBPFフレームワークを、リモート計算のオフロード基盤として活用すること。
• インクリメントやバイナリサーチュなどのオペレーションをストレージ上で直接実行するプロトタイプの構築と、その実現可能性の評価。
• この文脈におけるeBPFの限界を明らかにし、表現力とパフォーマンスを向上させるための今後の方向性を探索すること。

提案手法

• 信頼できないユーザーコードをリモートNVMストレージデバイス上で実行するための安全で検証可能かつJITコンパイルされるランタイム環境としてeBPFを活用すること。
• リモートコードのアップロードと実行を可能にするトランスポート層として、NBD（Network Block Device）プロトコルをプロトタイプとして拡張すること。
• アプリケーションがeBPFプログラムをストレージにアップロードし、それらをストレージ上で実行することで、大規模なデータセットをネットワーク上を転送する必要を減らすシステムアーキテクチャを設計すること。
• eBPFの検証器を活用して、実行時間の上限と安全なメモリアクセスを保証し、悪意あるまたは誤った動作を防止すること。
• eBPFの既存エコシステムとツールチェーンを活用することで、実装のオーバーヘッドを最小限に抑え、ポータビリティと保守性を確保すること。
• インクリメントやバイナリサーチュのようなリモートオペレーションのマイクロベンチマークを通じてパフォーマンスを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eBPFは、分散型NVMストレージ上で任意のユーザーコードを安全かつ効率的にリモート実行するために効果的に利用可能か？
• RQ2 ストレージにインクリメントやバイナリサーチュのようなオペレーションをオフロードすることで、従来のデータ転送パターンと比較してネットワークI/Oがどの程度削減され、パフォーマンスが向上するか？
• RQ3 特に表現力と実行時間の保証に関する観点から、このユースケースにおけるeBPFの主な制限要因は何か？
• RQ4 eBPFは、リモートストレージ上でマップやリデュースのようなより複雑な宣言的ワークロードをサポートするためにどのように拡張可能か？
• RQ5 共有ストレージデバイス上で任意のコード実行を許可する場合の、セキュリティと隔離性のトレードオフは何か？

主な発見

• プロトタイプは、NBDプロトコルを用いてNVMストレージ上でeBPFプログラムのリモート実行を成功裏に実装し、本手法の基本的実現可能性を検証した。
• インクリメントやバイナリサーチュのようなオペレーションをストレージにオフロードすることで、データ転送量の削減に寄与し、マイクロベンチマークにおいてパフォーマンスの向上が観察された。
• eBPFの組み込み検証器により、安全な実行が保証され、不正なメモリアクセスや無限ループが防止された。これはマルチテナント環境において極めて重要である。
• eBPFのJITコンパイルにより、ストレージデバイス上でネイティブに近い実行速度を達成し、高いパフォーマンスを実現した。
• 現在のeBPFモデルは、複雑なデータ処理ワークロードに対して表現力に欠けることが判明しており、高階関数やより洗練されたシステムコールの導入による強化の必要性が示唆された。
• 本研究では、NVMoFなどの本番用ストレージプロトコル、およびブロックデバイスやファイルシステムなどの上位レベルのストレージスタックとの統合における未解決の課題を特定した。