A security-aware routing approach for networks-on-chip

Abstract

A próxima geração de sistemas multiprocessados intra-chip, do inglês MultiProcessor Systems-on-Chip (MPSoC), comportará centenas de elementos de processamento num único chip, com a promessa de alta vazão de comunicação, baixa latência e, preferencialmente, baixo consumo de energia. Devido à elevada demanda de comunicação paralela de aplicações para MPSoCs, a rede intra-chip, do inglês Network-on-Chip (NoC), tem sido amplamente adotada como um meio de comunicação confiável e escalável para MPSoCs. O espaço de projeto para NoCs deve ser explorado para atender à demanda das aplicações atuais. Dentre os parâmetros que definem uma NoC, o algoritmo de roteamento tem sido utilizado para prover serviços como tolerância à falhas, liberdade de deadlocks e de livelocks, assim como Quality of Service (QoS). Conforme a adoção e complexidade de Systems-on-Chip (SoC) aumenta para sistemas embarcados, a preocupação com a proteção de dados também torna-se um requisito para o projeto de MPSoCs. Atualmente, MPSoCs podem ser atacados explorando vulnerabilidades em hardware ou software, sendo o último responsável por 80% dos incidentes de segurança em sistemas embarcados. A proteção contra vulnerabilidades de software pode acontecer em: (i) Nível de Aplicação, utilizando técnicas como a criptografia, para evitar a transmissão de dados desprotegidos entre os elementos de um MPSoC, conhecidos como módulos de propriedade intelectual, do inglês Intellectual Property (IP); ou (ii) Nível de Comunicação, inspecionando ou filtrando elementos na arquitetura de interconexão através de monitores de comunicação ou firewalls, respectivamente. Portanto, um algoritmo de roteamento, ciente dos requisitos de segurança do sistema, deve oferecer proteção ao utilizar rotas confiáveis na NoC, evitando elementos potencialmente maliciosos em rotas porventura inseguras. A principal contribuição deste trabalho é uma técnica de proteção para NoCs que atua em nível de comunicação, adaptando os algoritmos Segment-based Routing (SBR) e Region-based Routing (RBR) para que estes considerem aspectos de segurança do sistema, estes caracterizados por zonas de segurança definidas na NoC de acordo com o mapeamento de aplicações nos IPs. A avaliação da técnica de roteamento considera aspectos como a escalabilidade das tabelas de roteamento, a quantidade de rotas seguras definidas entre os IPs, e o impacto desta técnica de roteamento em aplicações do benchmark NASA Numerical Aerodynamic Simulation (NAS) Parallel Bencharm (NPB).