FPGA-accelerated TrustZone-enabled IOTA Swarm Nodes

動機

在 IOTA 中，一個錢包完整發出交易 (transaction) 請求會被劃分為四個命令：

• getTransactionsToApprove
• attachToTangle
• broadcastTransactions
• storeTransaction

也就是先向 Host 取得兩個 tips (trunk, branch) 交易，接著錢包會將 trunk, branch，以及要發出的 transaction trytes 以 attachToTangle 送到 Host，讓 Host 簽發交易 (也就是 PoW)，這步驟是發起交易最耗時的部分。接著請求 Host 將這筆交易廣播給其他鄰居，最後將這筆交易存下來。

• 延伸閱讀: IOTA API

針對物聯網和大規模部署的需求，我們實作了 IOTA Swarm nodes 並允許在中低階 Arm 環境佈署，而在 2018-06-13 會議記錄 提及評估透過 FPGA 加速 IOTA PoW (attachToTangle 命令) 並期望在 Arrow SoCKit Evaluation Board 建立兼具 FPGA 加速和 Arm TrustZone 安全隔離的系統雛形。

• 未來展望
  1. 接受運算能力低的感測器轉包 PoW 到硬體加速的 IOTA Swarm nodes，初步鎖定 Fujitsu PalmSecure 一類的感測器 (應用場景);
  2. 作為 IOTA Sandbox 或 PoWbox 的負載平衡器暨加速器;

現有 IOTA PoW 的 FPGA 加速器實作:

• IOTA PoW Hardware Accelerator FPGA for Raspberry Pi: Cyclone 10, MIT License
• FPGA based hardware accelerator for IOTA Curl and POW operations: Cyclone V, MIT License

用 FPGA 加速的 IOTA PoW 時間分佈 (橫軸單位: ms)

• 25% of all nonces are found within 87ms
• 50% of all nonces are found within 200ms
• 75% of all nonces are found within 433ms

預期 iota-swarm-node 整合方案

1. 將 FPGA accelerator 包裝 dcurl 介面: shufps/dcurl 已有初步實作
2. iota-swarm-node 現有 Python 載入 dcurl 並且驗證 IOTA / TangleID APIs

評估

Q1: 是否有TrustZone?

AjMaChInE p.102, SoCKIT to Me!Don’t Just Elevate, Integrate., 說明Arrow SoCKit Board可以做TrustZone應用

Q2: 選擇 shufps/dcurl或 LampaLab/iota_fpga?

items\projects	shufps/dcurl	LampaLab/iota_fpga
board	(old)Altera DE1 (new)(customize)Altera DE1	Intel DE10-Nano Board
FPGA	(old) Cyclone 2 (new) Cyclone 10 LP	Cyclone V
HDL	VHDL-Core	Verilog/System Verilog
HDL source	IOTA VHDL PoW (Pearl Diver)	iota_fpga/curl_accel_soc/hardware/

AjMaChInE

• 建議兩個都可以試試看，但Altera DE1 Cyclone 2不用試，因為硬體架構上沒有HPS 與 Arrow SoCKit board有落差
• 預計先試shufps/dcurl再試LampaLab/iota_fpga

PS:

• "This respository will not only contain VHDL source code and Altera DE1 project-files but also everything needed for a custom PCB (with a modern FPGA Cyclone 10 LP)which is plugged on top of a Raspberry Pi. Proto-Type is reaching 14.6MH/s" IOTA VHDL PoW (Pearl Diver)
• "Intel Cyclone 10 LP FPGAs extend the low-power leadership of the previous generation Cyclone V FPGAs, 參考": Intel® Cyclone® 10 LP FPGA

Q3: FPGA合成資源初步判定

Items\Projects	shufps/dcurl	LampaLab/iota_fpga	Arrow SoCKit
LEs	23,877	?	110K
ALMs	?	12 377 ALMs, 23 945 flip-flops (30% of 5CSEBA6U23I7 FPGA)	41509

AjMaChInE 兩者初步判定皆可以在Arrow SoCKit上使用其資源合成。

PS:

• ALM: Adaptive Logic Module
  

• LE: Logic Element

Q4: Weakness: FPGA與CPU有共有區塊，此區塊會保存seed，可以透過mmap存取

AjMaChInE

• The SoCKit board的 Specifications並沒有寫到TZC400 (TrustZone® Address Space Controller)
• 替代解法: 設定normal world的page table讓此區塊不能讀不能寫不可執行且還需對OPTEE修改並撰寫OPTEE TA，這部分想要另外談。

TODO

1. shufps/dcurl 移植的執行順序

• 1.1 FPGA合成shufps/dcurl Cyclone 10 LP 版本
• 1.2 移植現有IOTA VHDL PoW (Pearl Diver)從Intel DE1-Nano Board至Arrow SoCKit Board
  • TODO紀錄
• 1.3 iota-swarm-node 現有 Python 載入 dcurl 並且驗證 IOTA / TangleID APIs

2. LampaLab/iota_fpga移植(ED10->Arrow SoCKit)的執行順序

• 2.1 使用Quartus合成LampaLab/iota_fpga，而device從ED10->Arrow SoCKit
  • TODO紀錄-done
• 2.2 移植LampaLab/iota_fpga/software從Altera DE10至Arrow SoCKit Board
  • TODO紀錄-done
• 2.3 驗證ccurl
  • TODO紀錄
• 2.4 Replace ccurl's POW with dcurl’s POW in LampaLab/iota_fpga
  • TODO紀錄
• 2.5 iota-swarm-node 現有 Python 載入 dcurl 並且驗證 IOTA / TangleID APIs

3. RPi3+OPTEE執行順序:

• 3.1 建立RPi3+OPTEE環境
• 3.2 撰寫TA (PoW) for RPi3+OPTEE
  PS: seed在normal world與seucre world共享區塊是加密的，TA負責解密

PS: shufps/dcurl的第二步驟如果無法突破將會放棄，執行LampaLab/iota_fpga的移植; 如果成功，將不執行LampaLab/iota_fpga的移植。

Future Work

Weakness解決方案執行順序:

• 建置OPTEE在The SoCKit board上，需修改編譯流程。
• 設定nornal world的page table 不能讀不能寫不可執行此區塊
• 建立nornal world與sercure world共享區域
• 修改OPTEE的page table建立FPGA使用的記憶體區塊
• 由Tasklet搬此共享區資料至FPGA使用的記憶體區塊並撰寫解加密的seed程式
  PS: nornal world與sercure world共享區域存放加密的seed

參考資訊

• Altera DE1
  

• Intel DE10-Nano Board:

• 5CSEBA6U2317
  

• Arrow SoCKit board:

• Cyclone V SX SoC—5CSXFC6D6F31C6N
• 110K LEs, 41509 ALMs