[論文レビュー] Secure Platform for Processing Sensitive Data on Shared HPC Systems

Michel Scheerman, Narges Zarrabi+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2021

Advanced Data Storage Technologies参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、既存のインfra構造を変更せずに、PCOCC および SLURM を用いて、共有型ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）クラスタ上で機密データを安全に処理するための仮想化されたプラットフォームを提示する。このプラットフォームは、カスタマイズ可能で低オーバーヘッドかつスケーラブルなマルチテナント環境を提供し、厳格なセキュリティ要件を満たす。実世界の研究ワークロードを多様な分野で検証した結果、性能への影響は最小限に抑えられた。

ABSTRACT

High performance computing clusters operating in shared and batch mode pose challenges for processing sensitive data. In the meantime, the need for secure processing of sensitive data on HPC system is growing. In this work we present a novel method for creating secure computing environments on traditional multi-tenant high-performance computing clusters. Our platform as a service provides a customizable, virtualized solution using PCOCC and SLURM to meet strict security requirements without modifying the exist-ing HPC infrastructure. We show how this platform has been used in real-world research applications from different research domains. The solution is scalable by design with low performance overhead and can be generalized for processing sensitive data on shared HPC systems imposing high security criteria

研究の動機と目的

• 共有型マルチテナント HPC 環境における機密データの安全な処理ニーズの増大に対応すること。
• 既存の HPC インfra構造を変更せずに、強固なセキュリティを強制するソリューションを設計すること。
• 多様な研究ワークロードを厳格なアクセス制御およびデータ保護要件のもとで処理できるカスタマイズ可能な仮想化プラットフォームを提供すること。
• 強固な隔離と高セキュリティ基準への準拠を維持しながら、低パフォーマンスオーバーヘッドを実現すること。
• 多様な研究分野における実世界のワークロードに対して、スケーラビリティと実用性を示すこと。

提案手法

• 機密ワークロード用の軽量で安全かつ隔離された実行環境を構築するために、PCOCC（Portable Container Container）を活用する。
• ジョブスケジューリングおよびリソース管理のため SLURM と統合し、既存の HPC ワークフロー内でのシームレスなオ케ストレーションを可能にする。
• 仮想化を用いてテナント間の強固な隔離を実現するとともに、パフォーマンスとレガシ HPC ソフトウェアとの互換性を維持する。
• サービス指向アーキテクチャを採用し、ユーザーまたはプロジェクトごとにセキュリティポリシーおよびアクセス制御をカスタマイズ可能にする。
• 下位の HPC クラスターや既存のユーザーアプリケーションに影響を与えないように、非侵襲的設計を採る。
• ハイパーバイザおよびスケジューラレイヤーで強制される、コンテナレベルの暗号化およびアクセス制御メカニズムを通じて、安全なデータ処理を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のインfra構造を変更せずに、共有型マルチテナント HPC クラスタ上で機密データを安全に処理する方法は何か？
• RQ2 仮想化された HPC 環境において、低オーバーヘッドを維持しながら強固な隔離とアクセス制御を実現するメカニズムは何か？
• RQ3 SLURM や PCOCC といった既存の HPC スタック上に、ポータブルかつカスタマイズ可能なプラットフォームを構築し、高セキュリティ基準を満たすことは可能か？
• RQ4 セキュリティ要件やパフォーマンス要件が異なる多様な実世界の研究ワークロードに、このプラットフォームはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 提示されたソリューションのパフォーマンスは、ネイティブ HPC 実行と比較してどの程度の影響を受けるか？

主な発見

• 本プラットフォームは、下位インfra構造を変更せずに、共有型 HPC クラスタ上での機密ワークロードの安全かつ隔離された実行を成功裏に実現した。
• 低パフォーマンスオーバーヘッドを達成しており、パフォーマンスが重要な研究環境における本番利用に適している。
• 本プラットフォームは、複数の分野における実世界の研究応用で実際に導入・運用されており、実用的妥当性が裏付けられた。
• SLURM および PCOCC との統合により、既存の HPC ワークフローおよびジョブスケジューリングシステムとの互換性が保証された。
• 仮想化されカスタマイズ可能な環境は、厳格なセキュリティポリシーを維持しながらも、使いやすさとスケーラビリティを確保した。
• 本プラットフォームの設計は、高セキュリティ要件を有する多様な HPC システムへ一般化可能である。