[논문 리뷰] Cache Bypassing and Checkpointing to Circumvent Data Security Attacks on STTRAM

Nitin Rathi, Asmit De외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 20.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 온도 및 자석장에 민감하여 환경적 간섭에 취약한 스피너전이 토크 램(STTRAM)에 대한 데이터 보안 공격을 방지하기 위해 캐시 회피 및 체크포인팅 기법을 제안한다. 공격 기간 동안 마지막 레벨 캐시(LLC)를 동적으로 회피하고 주기적인 체크포인트에서 복원함으로써, 50% 공격 지속 기간 동안 평균 8%의 IPC 저하와 전체 공격 지속 기간 동안 2%의 에너지 오버헤드를 기록하면서도 오류 없는 계산을 유지한다.

ABSTRACT

Spin-Transfer Torque RAM (STTRAM) is promising for cache applications. However, it brings new data security issues that were absent in volatile memory counterparts such as Static RAM (SRAM) and embedded Dynamic RAM (eDRAM). This is primarily due to the fundamental dependency of this memory technology on ambient parameters such as magnetic field and temperature that can be exploited to tamper with the stored data. In this paper we propose three techniques to enable error free computation without stalling the system, (a) stalling where the system is halted during attack; (b) cache bypass during gradually ramping attack where the last level cache (LLC) is bypassed and the upper level caches interact directly with the main memory; and, (c) checkpointing along with bypass during sudden attack where the processor states are saved periodically and the LLC is written back at regular intervals. During attack the system goes back to the last checkpoint and the computation continues with bypassed cache. We performed simulation for different duration and frequency of attack on SPLASH benchmark suite and the results show an average of 8% degradation in IPC for a one-time attack lasting for 50% of the execution time. The energy overhead is 2% for an attack lasting for the entire duration of execution.

연구 동기 및 목표

• SRAM 및 eDRAM과 같은 비버니어블 메모리에는 존재하지 않지만 STTRAM에는 고유한 데이터 보안 취약성이 존재하므로 이를 해결한다.
• STTRAM의 저장 데이터를 손상시킬 수 있는 온도 및 자석장과 같은 환경적 요인으로 인한 위험을 완화한다.
• 시스템 정지 없이 공격 발생 중 및 이후에도 지속 가능한 오류 없는 계산을 가능하게 한다.
• 시스템의 내성 강화를 확보하면서도 성능 및 에너지 오버헤드를 최소화한다.

제안 방법

• 데이터 손상 방지를 위해 공격이 활성화된 동안 시스템을 정지시키는 스토핑 메커니즘을 구현한다.
• 점진적으로 증가하는 공격 기간 동안 마지막 레벨 캐시(LLC)를 회피하고, 상위 레벨 캐시가 직접 메인 메모리에 접근하도록 한다.
• 정기적인 간격으로 프로세서 상태를 저장하여 공격 후 복구할 수 있도록 주기적 체크포인팅을 적용한다.
• 갑작스러운 공격 발생 시 가장 최근의 체크포인트로 되돌아가며, LLC를 회피한 채로 실행을 계속하여 시스템 무결성을 유지한다.
• 공격 발생을 감지하고 적절한 방어 전략을 유도하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 메커니즘의 조합을 사용한다.
• 성능 및 에너지 비용의 상호 조정을 평가하기 위해, 다양한 공격 지속 시간 및 빈도 조건에서 SPLASH 벤치마크 세트를 기반으로 제안된 기법을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도 및 자석장 의존성에 악용되는 환경적 공격 상황에서 STTRAM 시스템은 어떻게 데이터 무결성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 실행 정지를 유발하지 않고도 데이터 보안 공격 기간 동안 지속 가능한 시스템 운영을 보장할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 다양한 공격 시나리오에서 체크포인팅 및 캐시 회피와 같은 방어 기법의 성능 오버헤드(IPS 및 에너지 측면)는 어느 정도인가?
• RQ4 점진적 공격 모델과 갑작스러운 공격 모델 간에 제안된 기법의 효과성은 어떻게 비교할 수 있는가?
• RQ5 주기적 체크포인팅과 동적 캐시 회피가 STTRAM 기반 시스템에서 보안, 성능, 에너지 효율성 간의 타당한 트레이드오프를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 실행 시간의 50% 동안 지속되는 일회성 공격의 경우, 시스템은 평균 8%의 Instructions Per Cycle (IPC) 저하를 경험한다.
• 공격이 전체 실행 기간 동안 지속되는 경우, 체크포인팅 및 회피 메커니즘으로 인해 에너지 오버헤드가 2%로 측정된다.
• 제안된 기법인 캐시 회피 및 체크포인팅은 공격 기간 동안 시스템 정지를 요구하지 않고도 오류 없는 계산을 가능하게 한다.
• 점진적 공격 기간 동안의 동적 캐시 회피와 갑작스러운 공격 기간 동안의 체크포인트 기반 복구의 조합은 시스템의 내성 강화를 보장한다.
• SPLASH 벤치마크 세트에 대한 시뮬레이션 결과는 방어 기법이 다양한 워크로드 및 공격 프로파일에서 효과적임을 확인한다.
• 실제 환경 위협 모델을 고려할 때, 이 접근법은 시스템 가용성과 데이터 무결성을 유지하며 STTRAM 배포를 위한 실용적인 해결책을 제공한다.