Securing applications in noc-based many-core systems : a comprehensive methodology

Abstract

Sistemas many-core em Chip (MCSoCs) alcançam alto desempenho através de paralelismo espacial. Estes sistemas contém Elementos de Processamento (PEs) interconectados por infraestruturas de comunicação como Redes-em-Chip (NoCs). À medida que os MCSoCs se tornam amplamente adotados e sua complexidade aumenta, a proteção de dados emerge como um requisito de projeto crítico. A questão central de pesquisa é: “como proteger aplicações executando em MCSoCs contra ameaças de segurança”? A revisão da literatura identifica várias técnicas de defesa, incluindo criptografia, códigos de autenticação, códigos de correção de erros e detectação de fluxos anômalos. Enquanto esses métodos protegem o MCSoC contra ataques específicos, há uma lacuna referente à proteção abrangente contra uma ampla gama de ameaças (DoS e espionagem, por exemplo). A primeira contribuição original desta Tese é uma taxonomia que categoriza as propostas de segurança em cinco critérios ortogonais: (1) fonte e tipo das ameaças; (2) contramedidas; (3) fase da aplicação onde as contramedidas são executadas; (4) sobrecarga relacionada às contramedidas; (5) contramedidas realizadas em tempo de projeto ou de execução. A Zona Segura Opaca (OSZ) é um mecanismo de segurança realizado em tempo de execução que visa o isolamento espacial de aplicações, oferecendo proteção robusta a ataques externos. No entanto, vulnerabilidades persistem quando Hardware Trojans (HTs) infectam roteadores da OSZ ou quando uma aplicação executando um uma OSZ comunica-se com dispositivos de IO. Esta Tese aborda essas vulnerabilidades, propondo três inovações técnicas originais: (1) Mapeamento Seguro com Ponto de Acesso (SeMAP): permite o mapeamento simultâneo de múltiplas OSZs, protegendo aplicações contra acessos não autorizados e garantindo a disponibilidade de caminhos para os dispositivos de IO usando um protocolo de autenticação leve; (2) Gerente de Sessão: um mecanismo para monitoramento, detecção e recuperação de ataques ou falhas que interrompem a entrega de pacotes; (3) Framework de Segurança Integrado: combina os mecanismos de segurança desenvolvidos em um framework, enviando alertas de segurança para um Gerente de Sistema. Uma campanha de ataques severa testou a resiliência da plataforma, que a protegeu de todos ataques executados. Resultados mostraram recuperação bem-sucedida dos dados e execução correta de todas as aplicações, com uma penalidade média de tempo de execução de 4,47%. Este resultado destaca a eficácia das contramedidas propostas, demonstrando que a segurança das aplicações tem baixo custo em termos de tempo de execução. Além disso, a sobrecarga de área de silício é pequena, correspondendo à adição de uma NoC de controle e módulos para controlar o acesso aos links dos roteadores.