[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种用于开放嵌入式系统的多核处理器平台，通过硬件支持的可信处理器分区以及四种新技术——无缝通信、非对称虚拟化、安全动态分区和对遗留及开放应用的安全执行——实现了可扩展性与安全性。该平台可在不修改软件的情况下，在共享硬件上安全、可扩展且高效地执行多个操作系统。

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.

研究动机与目标

• 为满足开放嵌入式系统中支持用户可定制应用的同时保持系统安全的日益增长的需求。
• 克服现有平台仅侧重可扩展性或安全性之一，而无法兼顾的局限性。
• 设计一种基于多核处理器的安全、可扩展的开放嵌入式系统平台。
• 实现在不修改代码的前提下，无缝执行遗留单处理器应用于多核架构。
• 支持对多个操作系统动态且安全地分配处理器资源。

提出的方法

• 通过抽象处理器分布的通信层，实现无需软件修改即可在遗留应用与多核系统之间实现无缝通信。
• 通过硬件支持的可信处理器分区实现隔离，将基础系统和开放应用的操作系统分别运行在独立核心上。
• 采用非对称虚拟化技术，通过时间复用方式运行多于物理核心数量的操作系统实例，同时保持隔离与安全性。
• 引入安全动态分区机制，支持在运行时重新配置操作系统之间的处理器分配，确保过渡过程中的安全性。
• 利用硬件强制隔离机制，确保开放应用无法干扰基础系统功能或其他操作系统。
• 将上述技术整合为统一平台，支持开放嵌入式环境中后向兼容性和可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不修改代码的前提下，将遗留单处理器应用执行于多核系统？
• RQ2 如何在共享多核硬件上安全隔离并执行多个操作系统？
• RQ3 是否可以在保持安全性的前提下，支持多于物理核心数量的操作系统实例？
• RQ4 如何在不损害安全性的前提下，动态调整运行时的处理器分配？
• RQ5 平台能否在开放嵌入式系统中同时实现可扩展性与强安全性？

主要发现

• 该平台可在不修改代码的前提下使遗留应用在多核系统上运行，确保后向兼容性。
• 硬件支持的可信处理器分区成功隔离了基础系统和开放应用的操作系统，防止相互干扰。
• 非对称虚拟化通过时间复用调度，实现了多于物理核心数量的操作系统实例的安全执行。
• 安全动态分区支持在运行时调整操作系统之间的处理器分配，实现灵活的工作负载管理。
• 四种技术的整合形成了一种安全、可扩展且可扩展的平台，适用于开放嵌入式系统。
• 该平台在需要开放性与强安全性的实际嵌入式系统中展现出可行性与实用性。