Memory-Side Protection With a Capability Enforcement Co-Processor

doi:10.1145/3302257

Memory-Side Protection With a Capability Enforcement Co-Processor

2019-03-08

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DOI：10.1145/3302257

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字节寻址非易失性存储器（NVM）融合了存储和内存的概念，可以显著提升以数据为中心的应用，从内存数据库到图处理。通过使大容量设备能够在多个计算单元之间共享，与网络结构连接的NVM改变了机架级系统的本质，实现了低延迟的直接内存访问，同时保留了数据持久性特性并简化了软件堆栈。在处理共享和持久内存时，适当的保护方案至关重要，但依赖虚拟内存分页的机制在性能（倾向于大页面）和保护粒度（倾向于小页面）之间存在矛盾。为了解决这一矛盾，能力机制值得重新审视作为一种更强大的保护机制，但引入新CPU特性所需的时间过长，阻碍了依赖指令集架构支持的方案的应用。本文提出能力执行协处理器（CEP），一种可编程内存控制器，通过能力模型实现细粒度保护，而无需在应用程序CPU中支持指令集。CEP将能力与应用程序CPU的指令集架构解耦，缩短了应用时间，并能快速演进以适应新的持久性存储技术，从NVDIMM到原生NVM设备，无论是本地连接还是机架级配置中的网络结构连接。CEP提供一个基于内存句柄的应用程序接口，这些句柄在内部转换为扩展指针能力。本文展示了一个基于CEP的分布式对象存储（Redis）的原理验证实现。它还演示了使用CEP的能力增强型文件系统（FUSE）实现。我们的原理验证表明，CEP在实现细粒度保护的同时，使应用程序客户端能够直接访问NVM，并通过这种方式为性能优化提供了重要机会（与基于软件的安全执行相比，延迟最多减少4倍），而不会损害安全性。最后，我们还概述了未来的混合模型如何通过将部分CEP功能委托给CHERI启用处理器来改进初始实现。

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