超越争用中的百慕大三角：混合关键度系统中的 IOMMU 干扰
分布式、并行与集群计算
2025-08-28 v1 系统与控制
系统与控制
摘要
随着混合关键度系统（MCS）的发展，它们越来越多地集成异构计算平台，将通用处理器与 AI 引擎、GPU 和高速网络接口等专用加速器相结合。这种异构性带来了挑战，因为这些加速器和具备 DMA 能力的设备作为独立的总线主设备，直接访问内存。因此，在此类环境中确保安全性和时序可预测性变得至关重要。为解决这些问题，输入输出内存管理单元（IOMMU）在中介和调节内存访问方面发挥关键作用，在实施隔离和访问控制策略的同时防止未经授权的事务。尽管已有工作从安全角度探讨了 IOMMU 相关的侧信道漏洞，但其在性能干扰方面的作用仍 largely 未被探索。此外，许多导致侧信道泄漏的相同架构特性，如共享 TLB、缓存效应和翻译开销，也可能引入时序不可预测性。在本工作中，我们使用 Xilinx UltraScale+ ZCU104 平台分析 IOMMU 结构内部的争用效应，展示了其共享特性如何引入不可预测的延迟。我们的发现表明，IOMMU 引起的干扰主要影响小内存事务，在此类事务中翻译开销显著影响执行时间。此外，我们假设由于共享缓存原理（如预取和分层 TLB 结构），IOTLB 产生的争用效应在不同架构中表现出类似行为。值得注意的是，我们的实验表明，在 Arm SMMUv2 实现中，IOMMU 干扰可使 DMA 事务在低尺寸传输时延迟高达 1.79 倍。
引用
@article{arxiv.2508.19670,
title = {Beyond the Bermuda Triangle of Contention: IOMMU Interference in Mixed Criticality Systems},
author = {Diogo Costa and Jose Martins and Sandro Pinto},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.19670},
year = {2025}
}