Guida e standard di sicurezza HPC: NIST SP 800-223 e SP 800-234

Cos’è la sicurezza del calcolo ad alte prestazioni e perché è importante?

L‘High Performance Computing (HPC) è un’infrastruttura critica per la scoperta scientifica, il progresso dell’intelligenza artificiale e la competitività economica nazionale. Poiché questi sistemi elaborano dati di ricerca sempre più sensibili e supportano carichi di lavoro computazionali mission-critical, gli approcci tradizionali alla sicurezza aziendale non sono in grado di affrontare le sfide uniche insite negli ambienti HPC. Sapere come lavorare con queste differenze fondamentali è essenziale per implementare misure di sicurezza efficaci che proteggano le preziose risorse computazionali senza compromettere la produttività complessiva.

L’High Performance Computing si riferisce alla pratica di utilizzare supercomputer e tecniche di elaborazione parallela per risolvere problemi computazionali altamente complessi che richiedono un’enorme potenza di elaborazione. Questi sistemi sono in genere dotati di migliaia di processori interconnessi, acceleratori specializzati come le GPU e infrastrutture di rete ad alta velocità in grado di eseguire quadrilioni di calcoli al secondo. I sistemi HPC supportano applicazioni critiche in una moltitudine di settori:

• Ricerca scientifica e modellazione – Simulazione climatica, scoperta di farmaci, fisica nucleare e scienza dei materiali.
• Intelligenza artificiale e apprendimento automatico – Addestramento di modelli linguistici di grandi dimensioni, visione computerizzata e ricerca sull’apprendimento profondo
• Ingegneria e design – Fluidodinamica computazionale, analisi strutturale e ottimizzazione del prodotto
• Modellazione finanziaria – Analisi del rischio, trading algoritmico e previsione economica
• Applicazioni di sicurezza nazionale – Ricerca crittografica, modellazione della difesa e analisi di intelligence.

Le implicazioni per la sicurezza dei sistemi HPC vanno ben oltre le preoccupazioni tipiche dell’infrastruttura IT. Un attacco riuscito a una struttura HPC potrebbe provocare un furto di proprietà intellettuale del valore di miliardi di dollari, compromettendo dati di ricerca sensibili, interrompendo programmi scientifici critici o addirittura venendo classificato come violazione della sicurezza nazionale.

Perché gli standard e l’architettura di sicurezza HPC sono importanti nelle strutture moderne

La sicurezza dell’HPC si differenzia fondamentalmente dall’IT aziendale per la complessità architettonica e la progettazione orientata alle prestazioni. A differenza dell’infrastruttura aziendale convenzionale, i sistemi HPC danno priorità alle prestazioni computazionali grezze, gestendo centinaia di migliaia di componenti, creando superfici di attacco estese difficili da monitorare in modo completo. Gli strumenti di sicurezza tradizionali non possono gestire il volume e la velocità delle operazioni HPC, mentre i carichi di lavoro sensibili alle prestazioni rendono i controlli di sicurezza standard, come la scansione del malware in tempo reale, potenzialmente distruttivi per le operazioni su scala petabyte.

Prima dei NIST SP 800-223 e SP 800-234, le organizzazioni non disponevano di una guida completa e standardizzata, adatta agli ambienti HPC. Ora, questi standard complementari affrontano questa lacuna di conoscenza utilizzando un’architettura di riferimento fondamentale a quattro zone, che riconosce requisiti di sicurezza distinti tra punti di accesso, sistemi di gestione, risorse di calcolo e archiviazione dei dati. Documenta anche scenari di attacco specifici per l’HPC, come la raccolta di credenziali e gli attacchi alla catena di approvvigionamento.

Le strutture del mondo reale esemplificano queste sfide. I sistemi dell’Oak Ridge National Laboratory contengono centinaia di migliaia di core di calcolo e storage su scala exabyte, bilanciando al contempo i requisiti multi-missione che supportano la ricerca non classificata, i progetti sensibili e le applicazioni classificate. Accolgono collaborazioni internazionali e ambienti software dinamici che gli approcci di sicurezza aziendali tradizionali non possono affrontare in modo efficace.

Il modello multi-tenancy crea un’ulteriore complessità, in quanto gli utenti HPC richiedono l’accesso diretto al sistema, la compilazione di software personalizzato e la capacità di esecuzione di codice arbitrario. Ciò richiede confini di sicurezza che bilanciano la flessibilità della ricerca con i requisiti di protezione attraverso ecosistemi specializzati, tra cui librerie scientifiche, codici di ricerca e gestori di pacchetti con centinaia di dipendenze.

Come capire l’architettura della sicurezza HPC e le minacce?

La sicurezza HPC richiede un cambiamento fondamentale di prospettiva rispetto ai tradizionali modelli di sicurezza aziendale. La complessità architettonica unica e il panorama delle minacce degli ambienti di calcolo ad alte prestazioni richiedono quadri specializzati che riconoscano le tensioni esistenti tra prestazioni computazionali e controlli di sicurezza.

Il NIST SP 800-223 fornisce la base architettonica stabilendo un modello di riferimento a quattro zone che riconosce i requisiti di sicurezza distinti tra i diversi componenti del sistema HPC. Questo approccio a zone riconosce che le politiche di sicurezza generalizzate non sono abbastanza efficaci quando si tratta di affrontare i diversi paesaggi di minacce e i requisiti operativi che si trovano nei punti di accesso, nei sistemi di gestione, nelle risorse di calcolo e nell’infrastruttura di archiviazione dei dati.

La relazione complementare tra il NIST SP 800-223 e il SP 800-234 crea un quadro di sicurezza completo, specificamente adattato agli ambienti HPC. In questo caso, l’SP 800-223 definisce la struttura architettonica e identifica gli scenari di minaccia chiave, mentre l’SP 800-234 fornisce una guida dettagliata all’implementazione attraverso sovrapposizioni di controlli di sicurezza che adattano i framework esistenti al contesto operativo specifico dell’HPC.

Un approccio a doppio standard come questo affronta le lacune critiche nella guida alla sicurezza HPC, fornendo sia l’architettura concettuale che i dettagli pratici di implementazione. In questo modo, le organizzazioni non si limitano ad adattare quadri di sicurezza aziendali inadeguati, ma implementano misure di sicurezza ad hoc che proteggono le risorse computazionali senza compromettere la produttività della ricerca o le missioni di scoperta scientifica.

Cosa stabilisce il NIST SP 800-223 per l’architettura di sicurezza HPC?

Il NIST SP 800-223 fornisce il quadro architettonico fondamentale che trasforma la sicurezza HPC da implementazioni ad hoc a strategie di protezione strutturate, basate su zone. Questo standard introduce un approccio sistematico per proteggere ambienti HPC complessi, mantenendo le caratteristiche di performance essenziali per le operazioni di ricerca e di calcolo scientifico.

Come funziona l’architettura di riferimento a quattro zone?

L’architettura a quattro zone riconosce che i diversi componenti HPC richiedono approcci di sicurezza distinti in base ai loro ruoli operativi, all’esposizione alle minacce e ai requisiti di prestazione. Questo modello a zone sostituisce le politiche di sicurezza a taglia unica con protezioni mirate che riconoscono le caratteristiche uniche di ciascuna area funzionale.

La Zona di accesso funge da interfaccia esterna che deve bilanciare l’accessibilità per gli utenti legittimi con la protezione dalle minacce esterne. I controlli di sicurezza qui si concentrano sulla convalida iniziale dell’accesso, supportando al contempo le sessioni interattive e i trasferimenti massicci di dati essenziali per la produttività della ricerca.

I componenti della Management Zone richiedono un’elevata protezione dei privilegi, poiché una compromissione in questo ambito potrebbe avere ripercussioni sull’intera infrastruttura HPC. Le misure di sicurezza enfatizzano i controlli dell’accesso amministrativo e il monitoraggio delle operazioni privilegiate che controllano il comportamento del sistema e l’allocazione delle risorse in tutte le zone.

La Zona di calcolo ad alte prestazioni deve affrontare la sfida di mantenere le prestazioni computazionali proteggendo le risorse condivise tra più carichi di lavoro concorrenti. I controlli devono ridurre al minimo le spese generali, evitando al contempo la contaminazione incrociata tra diversi progetti di ricerca che condividono la stessa infrastruttura fisica.

Le implementazioni di sicurezza della Data Storage Zone mirano a proteggere dalla corruzione dei dati e dagli accessi non autorizzati, mantenendo le prestazioni nei sistemi che gestiscono lo storage su scala petabyte con migliaia di operazioni simultanee da nodi di calcolo distribuiti.

Quali sono gli scenari di attacco del mondo reale contro i sistemi HPC?

Il NIST SP 800-223 documenta quattro modelli di attacco primari che mirano specificamente alle caratteristiche dell’infrastruttura HPC e ai requisiti operativi. Questi scenari riflettono l’intelligence sulle minacce e l’analisi degli incidenti reali provenienti da strutture HPC in tutto il mondo.

Raccolta di credenziali

Gli attacchi di Credential Harvesting sfruttano la durata prolungata delle sessioni e i modelli di accesso condiviso comuni negli ambienti HPC. Gli aggressori prendono di mira i lavori di calcolo di lunga durata e gli account di progetto condivisi per stabilire un accesso persistente che rimane inosservato per mesi. L’attacco ha successo compromettendo le credenziali esterne attraverso il phishing o le violazioni dei dati, quindi sfruttando i modelli di accesso legittimi all’HPC per evitare il rilevamento e mantenere l’accesso continuo al sistema.

Sfruttamento remoto

Gli scenari di exploit remoto si concentrano su servizi esterni vulnerabili che forniscono funzionalità HPC legittime, ma creano vettori di attacco ai sistemi interni. I portali web, i servizi di trasferimento file e gli strumenti di visualizzazione remota diventano punti di snodo quando non sono adeguatamente protetti o isolati. Gli aggressori sfruttano questi servizi per aggirare le difese perimetrali e ottenere un primo punto d’appoggio nell’ambiente HPC, prima di spostarsi lateralmente verso sistemi più sensibili.

Attacchi alla catena di approvvigionamento

Gli attacchi alla catena di approvvigionamento prendono di mira il complesso ecosistema software che supporta le operazioni HPC. Il codice dannoso entra attraverso le pipeline CI/CD (Continuous Integration / Continuous Deployment), i repository software compromessi o le dipendenze contaminate nei sistemi di gestione dei pacchetti come Spack. Questi attacchi sono particolarmente pericolosi perché colpiscono più strutture contemporaneamente e possono rimanere inattivi fino a quando non vengono attivati da condizioni computazionali specifiche o da input di dati.

Attacchi Confused Deputy

Gli attacchi Confused Deputy manipolano i programmi privilegiati inducendoli ad abusare della loro autorità per conto di parti non autorizzate. Negli ambienti HPC, questi attacchi spesso prendono di mira job scheduler, motori di flusso di lavoro o strumenti amministrativi che operano con privilegi elevati in più zone. L’attacco riesce a fornire un input dannoso che induce i programmi legittimi a eseguire azioni non autorizzate, pur sembrando funzionare normalmente.

Cosa rende unico il panorama delle minacce HPC?

L’ambiente delle minacce HPC differisce in modo significativo dall’IT aziendale, a causa delle decisioni di progettazione orientate alle prestazioni e dei requisiti operativi incentrati sulla ricerca, che creano nuove superfici di attacco e sfide difensive.

I compromessi tra prestazioni e sicurezza creano vulnerabilità fondamentali che non esistono negli ambienti IT tradizionali. I compromessi comuni basati sulle prestazioni includono:

• Funzioni di sicurezza disabilitate – Randomizzazione del layout dello spazio degli indirizzi, stack canaries e protezione della memoria rimossi per l’efficienza computazionale.
• Interconnessioni ad alta velocità non crittografate – Reti sensibili alla latenza che sacrificano la crittografia per guadagnare microsecondi di prestazioni
• File system con priorità al throughput – Sistemi di archiviazione condivisi che riducono al minimo l’overhead del controllo degli accessi per massimizzare le prestazioni di I/O.
• Requisiti di autenticazione rilassati – I lavori di lunga durata e l’elaborazione in batch influiscono negativamente sull’applicazione dell’autenticazione a più fattori.

Queste decisioni architettoniche creano condizioni sfruttabili che gli aggressori sfruttano per compromettere sistemi che altrimenti sarebbero protetti in ambienti aziendali tradizionali.

La complessità della catena di fornitura negli ambienti HPC supera di gran lunga le sfide tipiche della gestione del software aziendale. Le moderne strutture HPC gestiscono oltre 300 sistemi di flusso di lavoro con grafici di dipendenza complessi che abbracciano librerie scientifiche, middleware, software di sistema e codici di ricerca personalizzati. Questa complessità intrinseca crea molteplici punti di ingresso per l’iniezione di codice maligno e rende estremamente difficile l’implementazione e la manutenzione di una validazione di sicurezza completa.

La multi-tenancy tra i progetti di ricerca complica l’applicazione dei confini di sicurezza tradizionali. A differenza dei sistemi aziendali con ruoli utente e classificazione dei dati ben definiti, i sistemi HPC devono supportare appartenenze dinamiche ai progetti, collaborazioni temporanee e livelli di sensibilità dei dati variabili all’interno dell’infrastruttura condivisa. Questa struttura crea scenari in cui i controlli di accesso tradizionali e i meccanismi di isolamento dei dati si rivelano inadeguati per le esigenze del computing di ricerca.

L’emergere del “phishing scientifico” è un altro tema importante: un nuovo vettore di attacco in cui attori malintenzionati forniscono dati di input, modelli computazionali o flussi di lavoro di analisi contaminati, che sembrano legittimi ma contengono exploit nascosti. Questi attacchi prendono di mira la natura collaborativa della ricerca scientifica e la tendenza dei ricercatori a condividere dati, codice e risorse computazionali al di là dei confini istituzionali, senza passare attraverso una validazione di sicurezza completa.

Che cosa fornisce il Controllo di Sicurezza Overlay del NIST SP 800-234?

Il NIST SP 800-234 traduce il quadro architettonico del SP 800-223 in controlli di sicurezza attuabili, specificamente adattati alle realtà operative dell’HPC. Questo standard fornisce la guida pratica all’implementazione che trasforma l’architettura di sicurezza teorica in misure di protezione implementabili, mantenendo le caratteristiche di performance essenziali per il calcolo scientifico.

Come funziona il quadro di sovrapposizione Moderate Baseline Plus?

L’overlay SP 800-234 si basa sulla linea di base moderata del NIST SP 800-53, applicando una personalizzazione specifica per l’HPC per creare un quadro completo di controlli di sicurezza. Questo approccio riconosce che gli ambienti HPC richiedono sia pratiche di sicurezza consolidate che adattamenti specializzati che rispondono a requisiti computazionali unici.

Il quadro comprende 288 controlli di sicurezza totali, che consistono nei 287 controlli della linea di base SP 800-53 Moderate, più l’aggiunta di AC-10 (Concurrent Session Control), specifico per gli ambienti multiutente HPC. Questa linea di base fornisce misure di sicurezza collaudate, pur riconoscendo che le implementazioni aziendali standard spesso non sono sufficienti per le esigenze operative dell’HPC.

Sessanta controlli critici ricevono un adattamento specifico per l’HPC e una guida supplementare che affronta le sfide uniche degli ambienti di calcolo ad alte prestazioni. Queste modifiche vanno da approcci di implementazione attenti alle prestazioni a requisiti completamente nuovi che non esistono negli ambienti IT tradizionali. Il processo di adattamento considera fattori quali:

• Minimizzazione dell’impatto sulle prestazioni – Controlli adattati per ridurre l’overhead computazionale
• Implementazioni adeguate alla scala – Misure di sicurezza progettate per sistemi con centinaia di migliaia di componenti
• Considerazioni sulla multi-tenancy – Controlli potenziati per gli ambienti informatici di ricerca condivisi
• Applicazioni specifiche per zona – Requisiti differenziati per le zone di accesso, gestione, elaborazione e archiviazione dati.

La guida specifica per zona fornisce agli implementatori indicazioni dettagliate per applicare i controlli in modo diverso nell’architettura a quattro zone. Le zone di accesso richiedono approcci di autenticazione diversi rispetto alle zone di elaborazione, mentre le zone di gestione necessitano di un monitoraggio avanzato dei privilegi che non sarebbe pratico per le zone di archiviazione dati ad alta produttività.

La guida supplementare è un’espansione delle descrizioni dei controlli standard, utilizzando un contesto HPC aggiuntivo, esempi di implementazione e considerazioni sulle prestazioni. Questa guida colma il divario tra i requisiti di sicurezza generici e le realtà operative specifiche degli ambienti di elaborazione scientifica.

Quali sono le categorie di controllo critiche per l’HPC?

L’overlay identifica le famiglie di controllo chiave che richiedono l’adattamento più significativo per gli ambienti HPC, riflettendo le caratteristiche operative uniche e i paesaggi di minaccia dei sistemi di calcolo ad alte prestazioni.

Controllo dell’accesso basato sui ruoli

Il controllo dell’accesso basato sui ruoli (AC-2, AC-3) riceve un’ampia guida specifica per l’HPC, a causa dei complessi modelli di accesso inerenti all’informatica di ricerca. A differenza degli ambienti aziendali con ruoli utente relativamente statici, i sistemi HPC devono supportare l’appartenenza a progetti dinamici, collaborazioni di ricerca temporanee e requisiti di accesso variabili in base alle esigenze delle risorse computazionali. La gestione degli account deve soddisfare i ricercatori che possono avere bisogno di livelli di privilegio diversi per più progetti simultanei, mantenendo una chiara responsabilità e tracce di audit.

Registrazione specifica per HPC

La registrazione specifica per HPC (AU-2, AU-4, AU-5) affronta le sfide di volume e velocità del monitoraggio della sicurezza negli ambienti ad alte prestazioni. Le priorità di registrazione specifiche per zona aiutano le organizzazioni a concentrare gli sforzi di monitoraggio sugli eventi di sicurezza più critici, gestendo al contempo petabyte di dati di log potenziali. Le strategie di gestione del volume includono il filtraggio intelligente, l’analisi in tempo reale e approcci di archiviazione a livelli che mantengono la visibilità della sicurezza senza sovraccaricare i sistemi di archiviazione e di analisi.

Gestione delle sessioni

I controlli della Gestione delle sessioni (AC-2(5), AC-10, AC-12) sono adattati ai requisiti temporali unici dei carichi di lavoro computazionali. I lavori computazionali di lunga durata possono essere eseguiti per giorni o settimane, e richiedono meccanismi di timeout di sessione che distinguano tra le sessioni di debug interattive e l’elaborazione batch legittima. Le sessioni di debug interattive necessitano di politiche di timeout diverse rispetto all’esecuzione automatizzata del flusso di lavoro, mentre il rilevamento dell’inattività deve tenere conto dei modelli computazionali validi che potrebbero apparire inattivi ai sistemi di monitoraggio tradizionali.

Architettura di autenticazione

La guida all’Architettura di Autenticazione (IA-1, IA-2, IA-11) indica quando l’autenticazione a più fattori deve essere richiesta piuttosto che delegata all’interno dei confini di fiducia del sistema. I punti di accesso esterni richiedono un’autenticazione forte, ma la comunicazione interna da zona a zona può utilizzare un’autenticazione basata su certificati o token per mantenere le prestazioni e garantire la responsabilità. La guida aiuta le organizzazioni a bilanciare i requisiti di sicurezza con la necessità di una comunicazione intersistemica automatizzata e ad alta velocità.

Quali sono le implementazioni di sicurezza specifiche per zona consigliate?

L’overlay fornisce una guida dettagliata all’implementazione per ciascuna zona dell’architettura a quattro zone, riconoscendo che i controlli di sicurezza devono essere adattati alle caratteristiche operative specifiche e ai profili di minaccia dei diversi componenti del sistema HPC.

Le implementazioni della zona di accesso si concentrano sulla protezione delle connessioni esterne, supportando al contempo i trasferimenti di dati ad alto volume e le sessioni interattive essenziali per la produttività della ricerca. Le misure di sicurezza includono un monitoraggio avanzato della sessione per i nodi di accesso, protocolli di trasferimento file sicuri che mantengono le caratteristiche di performance e protezioni del portale web che bilanciano l’usabilità con la sicurezza. La gestione delle sessioni degli utenti deve consentire sia il lavoro interattivo che le operazioni di trasferimento automatico dei dati, senza creare ostacoli alle attività di ricerca legittime.

Le protezioni della zona di gestione richiedono garanzie aggiuntive per le funzioni amministrative privilegiate che influenzano le operazioni a livello di sistema. Il monitoraggio avanzato copre i modelli di accesso amministrativo, il tracciamento delle modifiche di configurazione e le modifiche dei criteri del job scheduler. La registrazione delle operazioni privilegiate fornisce tracce di audit dettagliate per le azioni che potrebbero compromettere l’integrità del sistema o influenzare più progetti di ricerca contemporaneamente.

Le implementazioni di sicurezza della zona di calcolo affrontano la sfida di proteggere le risorse computazionali condivise mantenendo i requisiti di prestazioni a livello di microsecondi dei carichi di lavoro HPC. La protezione delle risorse GPU condivise comprende meccanismi di isolamento della memoria, procedure di gestione dell’alimentazione di emergenza per lo spegnimento senza problemi del sistema e processi di sanificazione dei nodi di calcolo che assicurano uno stato pulito tra i diversi lavori di calcolo. I controlli di sicurezza devono ridurre al minimo l’impatto sulle prestazioni, evitando la contaminazione incrociata tra carichi di lavoro di ricerca concorrenti.

Le raccomandazioni della Data Storage Zone si concentrano sugli approcci di protezione dell’integrità che funzionano efficacemente con i file system paralleli su scala petabyte. La guida all’implementazione riguarda il controllo dell’integrità distribuito, le strategie di backup per gli insiemi di dati massicci e i meccanismi di controllo dell’accesso che mantengono le prestazioni ad alto rendimento. La sfida consiste nel proteggere sia dagli attacchi malevoli che dai guasti del sistema, che potrebbero compromettere i dati della ricerca che rappresentano anni di investimenti computazionali.

Come fanno le organizzazioni a implementare la sicurezza HPC nella pratica?

Per passare dalla documentazione sugli standard alla realtà operativa, le organizzazioni devono affrontare sfide complesse di implementazione, mantenendo la produttività della ricerca. Le implementazioni di successo della sicurezza HPC bilanciano i quadri teorici con i vincoli pratici, la cultura organizzativa e la realtà fondamentale che le misure di sicurezza devono migliorare piuttosto che ostacolare la scoperta scientifica.

Che cos’è il modello di sicurezza “Sceriffi e Deputati”?

Le implementazioni di sicurezza HPC più efficaci adottano quello che i professionisti chiamano il modello “Sceriffi e Vice”, un quadro di responsabilità condivisa che riconosce sia le capacità di applicazione gestite dalla struttura che il ruolo essenziale delle pratiche di sicurezza gestite dall’utente nella protezione delle risorse computazionali.

I controlli gestiti dalla struttura sono gli “sceriffi” della sicurezza HPC e forniscono meccanismi di applicazione centralizzati che gli utenti non possono aggirare o disattivare. Questi controlli includono le regole del firewall a livello di rete, i sistemi di autenticazione centralizzati, le politiche di job scheduler e altro ancora. La struttura mantiene anche un monitoraggio a livello di sistema che traccia l’utilizzo delle risorse, rileva modelli di comportamento anomali e fornisce tracce di audit per i requisiti di conformità.

I quadri di autorizzazione rappresentano un altro componente critico gestito dalla struttura, dove i Comitati per l’utilizzo delle risorse (RUC) e i processi di approvazione dei progetti assicurano che l’accesso computazionale sia in linea con gli obiettivi di ricerca approvati. Questi meccanismi impediscono l’uso non autorizzato delle risorse, mantenendo una chiara responsabilità per tutte le attività computazionali all’interno della struttura.

Le responsabilità gestite dall’utente funzionano come“sostituti” in questo modello di sicurezza, gestendo gli aspetti che non possono essere automatizzati in modo efficace o controllati centralmente. I ricercatori sono responsabili della sanitizzazione dei dati di input, assicurando che i set di dati e i modelli computazionali non contengano contenuti dannosi che potrebbero compromettere l’integrità del sistema. La correttezza e la sicurezza del codice diventano responsabilità degli utenti, in particolare per le applicazioni di ricerca personalizzate che gli amministratori della struttura non possono convalidare in modo completo.

La gestione dell’accesso al progetto comporta spesso il coordinamento degli utenti, soprattutto negli ambienti di ricerca collaborativa in cui più istituzioni condividono le risorse computazionali. Gli utenti devono comprendere e rispettare i requisiti di classificazione dei dati, le restrizioni di controllo delle esportazioni e le protezioni della proprietà intellettuale, che possono variare tra i diversi progetti di ricerca in esecuzione sulla stessa infrastruttura.

Questo modello di responsabilità condivisa riconosce che una sicurezza HPC efficace richiede la partecipazione attiva sia degli operatori delle strutture che degli utenti della ricerca. Nessuna delle due parti è in grado di garantire una protezione completa da sola: le strutture non hanno l’esperienza di dominio per convalidare tutti i codici di ricerca e i set di dati, mentre gli utenti non hanno l’accesso a livello di sistema necessario per implementare le protezioni a livello di infrastruttura.

Quali sono le “regole pratiche” di sicurezza?

Gli esperti di sicurezza HPC si basano su principi fondamentali che traducono gli standard complessi in una guida operativa quotidiana. Queste regole empiriche aiutano le organizzazioni a prendere decisioni coerenti in materia di sicurezza, adattandosi al contempo alla natura dinamica degli ambienti informatici di ricerca.

Il principio di identità richiede che ogni attività computazionale sia riconducibile a una persona identificabile e autorizzata. Sebbene questo possa sembrare semplice, diventa molto più complesso in ambienti con account condivisi, flussi di lavoro automatizzati e lavori batch di lunga durata. Le implementazioni di successo mantengono chiare tracce di audit che collegano l’utilizzo delle risorse computazionali a persone specifiche, anche quando più ricercatori collaborano a progetti condivisi o quando i sistemi automatizzati eseguono flussi di lavoro computazionali per conto degli utenti.

L’ambito dell’autorizzazione deve allinearsi ai confini del progetto e agli obiettivi di ricerca approvati, piuttosto che ai modelli tradizionali basati sui ruoli. L’approvazione del Comitato per l’utilizzo delle risorse guida le decisioni di accesso, assicurando che i privilegi computazionali corrispondano all’ambito delle attività di ricerca approvate. Questo approccio evita il problema dello scope creep, con i ricercatori che ottengono l’accesso alle risorse ben oltre i loro legittimi requisiti di progetto, sostenendo al contempo la natura collaborativa della ricerca scientifica.

I requisiti di autenticazione seguono un approccio basato sul rischio che distingue tra diversi tipi di accesso al sistema e attività computazionali. L’autenticazione a due fattori diventa obbligatoria per i punti di accesso esterni e le funzioni amministrative, ma può essere delegata a meccanismi basati su certificati o token per la comunicazione interna da sistema a sistema che richiede un funzionamento automatizzato ad alta velocità.

La condivisione delle credenziali rappresenta una sfida persistente negli ambienti di ricerca, dove la collaborazione spesso coinvolge risorse computazionali condivise. La regola pratica enfatizza la responsabilità individuale: anche nei progetti di collaborazione, le credenziali di accesso devono rimanere legate a persone specifiche, che sono ritenute responsabili delle attività computazionali svolte sotto la loro identità.

Quali approcci di sicurezza attenti alle prestazioni funzionano?

Le implementazioni della sicurezza HPC nel mondo reale hanno successo riconoscendo che il degrado delle prestazioni mina sia la sicurezza che gli obiettivi di ricerca. Le organizzazioni sviluppano strategie di sicurezza che proteggono le risorse computazionali senza creare ostacoli al lavoro scientifico legittimo.

La scansione delle vulnerabilità richiede un’attenta orchestrazione per evitare l’impatto sui file system su scala petabyte che servono migliaia di lavori computazionali simultanei. Gli approcci di successo includono programmi di scansione al di fuori dei periodi di punta, architetture di scansione distribuite che distribuiscono i carichi di valutazione su più sistemi e una scansione intelligente che si concentra sui componenti critici del sistema piuttosto che tentare una copertura completa durante i periodi di picco operativo.

La protezione da malware negli ambienti HPC abbandona i tradizionali approcci di scansione in tempo reale, che si rivelano incompatibili con i carichi di lavoro computazionali ad alto rendimento. Invece, le implementazioni efficaci utilizzano l’analisi comportamentale che monitora i modelli computazionali anomali, l’analisi del traffico di rete che rileva i modelli di comunicazione non autorizzati e la scansione periodica offline dei componenti critici del sistema durante le finestre di manutenzione programmate.

La differenziazione del controllo di sicurezza in base al tipo di nodo consente alle organizzazioni di applicare livelli di protezione appropriati senza creare penalizzazioni universali delle prestazioni. I nodi di accesso e i sistemi di gestione ricevono un monitoraggio di sicurezza completo, poiché gestiscono funzioni sensibili di autenticazione e amministrazione, mentre i nodi di calcolo si concentrano sui meccanismi di isolamento e di protezione delle risorse che mantengono le prestazioni di calcolo.

Le strategie di protezione dei dati bilanciano i requisiti di backup completo con la realtà che i dataset su scala petabyte non possono essere sottoposti a backup con gli approcci aziendali tradizionali. Le organizzazioni implementano strategie di protezione a livelli che forniscono una protezione completa per i dati di configurazione critici e le home directory degli utenti, mentre utilizzano approcci alternativi come la replica distribuita e il controllo dell’integrità per i grandi set di dati di ricerca di cui non sarebbe pratico eseguire il backup completo.

La segmentazione della rete offre vantaggi in termini di sicurezza, pur mantenendo la comunicazione ad alta velocità essenziale per i carichi di lavoro computazionali paralleli. Le implementazioni efficaci utilizzano un isolamento a zone che si allinea con l’architettura SP 800-223, garantendo al contempo che i modelli di comunicazione computazionale legittimi non siano disturbati dai controlli di sicurezza progettati per gli ambienti di rete aziendali tradizionali.

Lista di controllo della sicurezza basata sui rischi per gli ambienti HPC

Questa lista di controllo della sicurezza con priorità aiuta le organizzazioni a implementare i controlli NIST SP 800-223 e SP 800-234 in base ai livelli di rischio, assicurando che le vulnerabilità critiche ricevano un’attenzione immediata e costruendo una protezione completa nel tempo.

Elementi critici/ad alto rischio (azione immediata richiesta)

Controllo degli accessi e autenticazione:

• Verificare che l’autenticazione a più fattori sia applicata a tutti i punti di accesso esterni (nodi di accesso, portali web, nodi di trasferimento dati).
• Verificare gli account privilegiati in tutte le zone – assicurarsi che non esistano credenziali amministrative condivise.
• Esaminare e documentare tutti gli account di servizio con permessi di accesso trasversali alle zone.
• Verificare che le password predefinite siano state modificate su tutti i componenti dell’infrastruttura HPC.

Protezione dell’interfaccia esterna:

• Confermare che le regole del firewall segmentino correttamente le quattro zone di sicurezza secondo l’architettura SP 800-223.
• Esaminare i servizi rivolti all’esterno per le vulnerabilità note e applicare le patch di sicurezza critiche.
• Verificare l’utilizzo di protocolli sicuri (SSH, HTTPS, SFTP) per tutte le comunicazioni esterne.
• Esaminare e limitare i servizi di rete non necessari e le porte aperte.

Classificazione e protezione dei dati:

• Identificare e classificare tutti i dati di ricerca sensibili in base ai requisiti organizzativi e normativi.
• Verificare la conformità al controllo delle esportazioni per l’accesso dei ricercatori internazionali e la condivisione dei dati.
• Confermare l’esistenza di procedure di backup per i dati di configurazione critici e le directory home degli utenti.
• Convalidare l’implementazione della crittografia per i dati a riposo nelle zone di archiviazione e per i dati in transito.
• Implementare una soluzione di protezione dei dati specifica per HPC, allineata al NIST, come Bacula Enterprise.

Elementi di rischio medio (da affrontare entro 3-6 mesi)

Sicurezza del software e della catena di fornitura:

• Implementare il monitoraggio automatizzato dell’inventario software utilizzando strumenti SBOM (Spack, container o gestori di pacchetti).
• Stabilire programmi di scansione delle vulnerabilità che riducano al minimo l’impatto sui carichi di lavoro computazionali.
• Documentare e valutare le pratiche di sicurezza dei fornitori di software HPC critici e delle dipendenze.
• Creare procedure di risposta agli incidenti specifiche per gli ambienti HPC e l’architettura multizona.

Monitoraggio e registrazione:

• Configurare priorità di registrazione specifiche per zona secondo la guida SP 800-234 (controlli AU-2, AU-4, AU-5).
• Implementare il monitoraggio automatizzato di modelli insoliti di utilizzo delle risorse computazionali.
• Stabilire politiche di conservazione dei registri che bilancino i costi di archiviazione con i requisiti di conformità.
• Implementare strumenti di gestione delle informazioni e degli eventi di sicurezza (SIEM) in grado di elaborare dati su scala HPC.

Sicurezza operativa:

• Sviluppare e testare procedure di disaster recovery per ogni zona di sicurezza.
• Creare una formazione di sensibilizzazione alla sicurezza specifica per gli ambienti HPC e la collaborazione di ricerca.
• Stabilire procedure per la distribuzione sicura del software e la gestione della configurazione.
• Implementare valutazioni regolari della sicurezza che tengano conto dei requisiti di prestazione HPC.

Elementi a basso rischio (attività di manutenzione in corso)

Documentazione e conformità:

• Mantenere gli attuali diagrammi di rete e la documentazione dell’architettura di sistema.
• Rivedere e aggiornare annualmente le politiche di sicurezza per riflettere l’evoluzione dei requisiti di ricerca.
• Documentare i ruoli e le responsabilità di sicurezza utilizzando il modello “Sceriffi e Deputati”.
• Eseguire revisioni annuali dei diritti di accesso degli utenti e dei permessi basati sul progetto.

Miglioramento continuo:

• Partecipare ai forum della comunità di sicurezza HPC e alla condivisione di informazioni sulle minacce.
• Valutare le tecnologie di sicurezza emergenti per l’applicabilità all’HPC e l’impatto sulle prestazioni.
• Condurre esercitazioni periodiche per la risposta agli incidenti di sicurezza.
• Valutare i requisiti di sicurezza del cloud e dell’HPC ibrido man mano che l’infrastruttura si evolve.

Monitoraggio delle prestazioni:

• Monitorare l’impatto delle prestazioni dei controlli di sicurezza sui carichi di lavoro computazionali.
• Rivedere e ottimizzare le configurazioni degli strumenti di sicurezza per ridurre al minimo l’impatto sulla produttività della ricerca.
• Valutare nuovi approcci di sicurezza che mantengano le caratteristiche delle prestazioni HPC
• Tracciare le metriche di sicurezza e gli indicatori chiave di prestazione specifici per gli ambienti informatici di ricerca.

Quali sono le considerazioni necessarie sulla sicurezza del software e sulla catena di fornitura per l’HPC?

Gli ambienti HPC dipendono da ecosistemi software straordinariamente complessi, che creano sfide di sicurezza uniche, ben oltre i tradizionali ambienti IT aziendali. Gestire centinaia di librerie scientifiche, sistemi di flusso di lavoro e codici di ricerca personalizzati, mantenendo la sicurezza, richiede approcci specializzati che bilanciano i vantaggi della collaborazione open-source con una gestione completa dei rischi.

Come si proteggono gli stack di software HPC complessi?

La gestione del software HPC presenta una complessità senza precedenti, grazie ai gestori di pacchetti come Spack, che gestiscono relazioni di dipendenza intricate tra centinaia di librerie di calcolo scientifico, compilatori e ambienti di runtime. Questa complessità crea sfide di sicurezza che gli approcci tradizionali di gestione del software aziendale non possono affrontare in modo efficace.

I gestori di pacchetti negli ambienti HPC gestiscono grafici di dipendenze esponenzialmente più complessi rispetto al tipico software aziendale. Una singola applicazione scientifica può dipendere da decine di librerie matematiche, ciascuna con le proprie dipendenze da compilatori, librerie di comunicazione e componenti a livello di sistema. Spack, il principale gestore di pacchetti HPC, gestisce comunemente 300-500 pacchetti software distinti, con relazioni di dipendenza che cambiano in base alle scelte del compilatore, ai flag di ottimizzazione e alle architetture hardware di destinazione.

Le implicazioni per la sicurezza includono le vulnerabilità della catena di fornitura, in cui il codice dannoso entra attraverso qualsiasi punto del grafico delle dipendenze. A differenza degli ambienti aziendali con cataloghi software controllati, i sistemi HPC incorporano regolarmente codici di ricerca all’avanguardia, librerie sperimentali e applicazioni scientifiche personalizzate che possono mancare di una validazione di sicurezza completa.

I vantaggi del software open-source favoriscono l’adozione dell’HPC, ma complicano la gestione del rischio di sicurezza. Le comunità di ricerca si affidano a modelli di sviluppo collaborativo, dove la qualità del codice e le pratiche di sicurezza variano in modo significativo da un progetto all’altro. Le considerazioni chiave includono:

• Tempistiche di divulgazione delle vulnerabilità – I progetti di ricerca possono non avere processi formali di risposta alla sicurezza.
• Continuità della manutenzione – I progetti accademici spesso perdono i finanziamenti o il supporto degli sviluppatori.
• Variazione della qualità del codice – I codici di ricerca privilegiano l’accuratezza scientifica rispetto alle pratiche di sicurezza.
• Complessità di integrazione – La combinazione di più codici di ricerca aumenta la superficie di attacco.

Le pratiche di programmazione difensiva diventano essenziali per mitigare le vulnerabilità del software nei codici di ricerca. Le organizzazioni implementano processi di revisione del codice per le applicazioni scientifiche critiche, framework di test automatizzati che convalidano sia la correttezza scientifica che le proprietà di sicurezza e approcci di sandboxing che isolano i codici sperimentali dalle risorse computazionali di produzione.

Quali sono le sfide di sicurezza del CI/CD e del flusso di lavoro?

La proliferazione di sistemi di flusso di lavoro automatizzati negli ambienti HPC crea sfide sostanziali per la sicurezza, in quanto le organizzazioni gestiscono oltre 300 strumenti di gestione del flusso di lavoro distinti, ciascuno con modelli di sicurezza, requisiti di credenziali e approcci di integrazione diversi.

I sistemi di flusso di lavoro scientifici variano da semplici invii di lavori in batch a complesse piattaforme di orchestrazione multi-facility che coordinano le risorse computazionali tra più istituzioni. Esempi comuni sono Pegasus, Kepler, Taverna e NextFlow, ciascuno progettato per domini scientifici e modelli computazionali diversi. Questa diversità crea problemi di sicurezza, in quanto ogni sistema richiede meccanismi di autenticazione diversi, ha vari livelli di maturità della sicurezza e si integra in modo diverso con l’infrastruttura HPC.

La gestione delle credenziali per i flussi di lavoro automatizzati rappresenta una sfida persistente per la sicurezza. I flussi di lavoro scientifici spesso richiedono l’accesso a più strutture computazionali, database esterni e risorse cloud, e necessitano di credenziali di lunga durata che eseguono operazioni non presidiate oltre i confini istituzionali. Gli approcci tradizionali di gestione delle credenziali aziendali si rivelano inadeguati per i requisiti dell’informatica di ricerca.

I rischi comuni per la sicurezza delle credenziali includono:

• Esposizione di variabili d’ambiente – Credenziali sensibili memorizzate in ambienti shell accessibili ad altri processi.
• Perdita di argomenti della riga di comando – Token di autenticazione visibili negli elenchi dei processi e nei registri di sistema
• Archiviazione di file di configurazione – Credenziali in chiaro nei file di configurazione del flusso di lavoro condivisi tra i team di ricerca
• Autenticazione cross-facility – Credenziali che consentono l’accesso a più istituzioni e fornitori di cloud.

L‘orchestrazione esterna crea ulteriori sfide di sicurezza, in quanto i sistemi di flusso di lavoro coordinano le risorse tra più organizzazioni, fornitori di cloud e strutture di ricerca internazionali. Questi sistemi devono bilanciare i requisiti di collaborazione nella ricerca con i controlli di sicurezza, le restrizioni all’esportazione e le diverse politiche di sicurezza istituzionali.

I flussi di lavoro automatizzati multi-facoltà richiedono meccanismi sofisticati di delega delle credenziali, che mantengano la sicurezza e consentano al contempo l’accesso alle risorse senza soluzione di continuità attraverso i confini organizzativi. Ciò include la gestione di diversi sistemi di autenticazione, la gestione della delega temporanea delle credenziali e la garanzia di audit trail su più domini amministrativi.

Come si implementa la distinta base del software (SBOM) per l’HPC?

La gestione dell’inventario del software negli ambienti HPC richiede approcci che gestiscano la natura dinamica e focalizzata sulla ricerca dell’informatica scientifica, fornendo al contempo la visibilità necessaria per un’efficace gestione delle vulnerabilità e per il reporting di conformità.

Gli ambienti di ricerca dinamici complicano gli approcci SBOM tradizionali, poiché le installazioni informatiche scientifiche cambiano frequentemente in base all’evoluzione dei requisiti di ricerca. I ricercatori installano regolarmente nuovi pacchetti software, modificano le installazioni esistenti con patch personalizzate e creano ambienti computazionali completamente nuovi per progetti di ricerca specifici. Questo crea inventari di software in costante evoluzione che resistono agli approcci di documentazione statica.

Il tracciamento automatico dell’inventario diventa essenziale per mantenere accurate le distinte dei materiali software in ambienti in cui il tracciamento manuale risulta impraticabile. Le implementazioni di successo includono approcci basati su container che catturano ambienti software completi, l’integrazione dei gestori di pacchetti che tracciano automaticamente i componenti installati e strumenti di analisi runtime che scoprono le dipendenze effettive del software durante l’esecuzione dei calcoli.

Il monitoraggio delle vulnerabilità negli stack di software in costante evoluzione richiede approcci automatizzati che garantiscano le seguenti funzionalità:

• Monitorare le fonti upstream – Tracciare gli avvisi di sicurezza per centinaia di progetti di software scientifico.
• Valutare la portata dell’impatto – Determinare quali installazioni e progetti di ricerca sono interessati da vulnerabilità specifiche.
• Privilegiare la correzione – Concentrare gli aggiornamenti di sicurezza sui componenti software che presentano il rischio maggiore.
• Coordinare gli aggiornamenti – Gestire gli aggiornamenti software tra più progetti di ricerca senza interrompere il lavoro computazionale in corso.

I framework di test e convalida automatizzati offrono vantaggi in termini di sicurezza e supportano la produttività della ricerca, garantendo che gli aggiornamenti del software non introducano regressioni nell’accuratezza scientifica o nelle prestazioni computazionali. Questi framework includono pipeline di integrazione continua che convalidano sia le proprietà di sicurezza che la correttezza scientifica, test di regressione automatizzati che rilevano i cambiamenti nei risultati computazionali e benchmarking delle prestazioni che assicurano che gli aggiornamenti di sicurezza non degradino l’efficienza computazionale.

Le strategie di gestione dei container e dell’ambiente aiutano le organizzazioni a implementare pratiche SBOM efficaci, fornendo ambienti software immutabili che sono completamente documentati, controllati nella versione e validati dalla sicurezza. Gli approcci di containerizzazione, come Singularity e Docker, consentono alle organizzazioni di creare ambienti computazionali riproducibili, mantenendo al contempo inventari software chiari per l’analisi della sicurezza.

Come i diversi settori applicano gli standard di sicurezza HPC e i requisiti di conformità?

L’implementazione della sicurezza HPC varia notevolmente tra i vari settori, ognuno dei quali si trova ad affrontare requisiti normativi, vincoli operativi e paesaggi di minacce diversi, che determinano il modo in cui gli standard NIST si traducono in misure di sicurezza pratiche.

Quali sono i requisiti del Governo e della Difesa?

Le strutture HPC governative operano in base a quadri normativi rigorosi che vanno ben oltre i requisiti di base dei NIST SP 800-223 e SP 800-234. I laboratori nazionali del Dipartimento dell’Energia devono conformarsi a quadri normativi completi, tra cui FIPS 199 per la categorizzazione delle informazioni, NIST SP 800-53 per i controlli di sicurezza dettagliati e NIST SP 800-63 per le linee guida sull’identità digitale che regolano l’autenticazione e la gestione degli accessi in tutte le risorse computazionali.

Queste strutture sono soggette a divieti assoluti su alcuni tipi di elaborazione delle informazioni. I dati classificati, le informazioni nucleari controllate non classificate (UCNI), le informazioni sulla propulsione nucleare navale (NNPI) e tutti i dati sullo sviluppo di armi sono severamente vietati sui sistemi HPC non classificati. Le violazioni comportano gravi conseguenze legali e la revoca del nulla osta di sicurezza della struttura.

Le normative sul controllo delle esportazioni creano un’ulteriore complessità operativa, in particolare per quanto riguarda la collaborazione internazionale e la gestione delle apparecchiature. I ricercatori internazionali possono subire restrizioni di accesso, mentre i componenti hardware e i token di sicurezza spesso non possono viaggiare oltre i confini nazionali. Queste restrizioni hanno un impatto significativo sulla collaborazione scientifica e richiedono un attento coordinamento con gli uffici di conformità, per garantire che le attività di ricerca legittime non violino inavvertitamente le normative.

Quali sfide devono affrontare le istituzioni accademiche e di ricerca?

Le istituzioni accademiche si muovono in un panorama fondamentalmente diverso, dove i principi della scienza aperta sono spesso in conflitto con le necessarie restrizioni di sicurezza. Le università di ricerca devono bilanciare i requisiti di trasparenza e collaborazione con la protezione dei dati sensibili della ricerca, della proprietà intellettuale e delle informazioni degli studenti.

La gestione della sicurezza tra più progetti di ricerca con diversi livelli di sensibilità crea una complessità operativa che le imprese commerciali raramente affrontano. Una singola struttura HPC potrebbe supportare contemporaneamente la ricerca di base non classificata, i progetti proprietari sponsorizzati dall’industria e la ricerca finanziata dal governo con restrizioni sul controllo delle esportazioni. Ogni progetto richiede controlli di accesso, misure di protezione dei dati e rapporti di conformità diversi.

La collaborazione internazionale rappresenta sia un’opportunità che una sfida per le istituzioni accademiche. Se da un lato la collaborazione scientifica globale stimola l’innovazione e la scoperta, dall’altro crea considerazioni sulla sicurezza in merito all’accesso dei ricercatori stranieri, alla condivisione dei dati attraverso i confini nazionali e alla conformità con le diverse normative internazionali. Le università devono mantenere l’apertura della ricerca, affrontando al contempo le legittime preoccupazioni di sicurezza relative all’influenza straniera e al trasferimento di tecnologia.

Quali sono le considerazioni sulla sicurezza dell’HPC commerciale?

Gli ambienti HPC commerciali devono affrontare sfide uniche per quanto riguarda l’integrazione del cloud e le implementazioni ibride. Molte organizzazioni oggi combinano risorse HPC on-premises con capacità di calcolo basate sul cloud, creando architetture di sicurezza che abbracciano più domini amministrativi e modelli di sicurezza. Questo approccio ibrido richiede un’attenta attenzione alla sovranità dei dati, alla gestione delle credenziali tra gli ambienti e all’applicazione coerente dei criteri di sicurezza.

La gestione dei fornitori negli ambienti HPC commerciali coinvolge fornitori di hardware e software specializzati che possono avere una maturità di sicurezza limitata rispetto ai fornitori aziendali tradizionali. Le organizzazioni devono valutare le pratiche di sicurezza nell’intera catena di fornitura, dai produttori di silicio personalizzato agli sviluppatori di software scientifico specializzato.

Gli ambienti commerciali multi-tenant creano ulteriori sfide di sicurezza, in quanto i fornitori di cloud HPC devono isolare i carichi di lavoro di più clienti, mantenendo le caratteristiche di performance che giustificano gli investimenti HPC. Ciò richiede un sofisticato isolamento delle risorse, una segmentazione della rete e capacità di monitoraggio che vanno oltre i tradizionali approcci di sicurezza del cloud.

Come si integrano questi standard con altri quadri di sicurezza?

Le sfide di integrazione diventano evidenti quando le organizzazioni devono allineare i requisiti FISMA e FedRAMP con le implementazioni specifiche dell’HPC. Le agenzie federali che utilizzano risorse HPC nel cloud devono assicurarsi che i fornitori di cloud soddisfino i requisiti di autorizzazione FedRAMP e allo stesso tempo implementino i controlli specifici per l’HPC delineati nell’SP 800-234. Questo spesso richiede implementazioni di controlli di sicurezza personalizzati che soddisfino entrambi i framework contemporaneamente.

Il NIST SP 800-171 svolge un ruolo fondamentale quando i sistemi HPC elaborano informazioni non classificate controllate (CUI) in ambienti di ricerca. Le istituzioni accademiche e le organizzazioni di ricerca commerciale devono implementare i 110 requisiti di sicurezza del SP 800-171, mantenendo al contempo le prestazioni e le caratteristiche di collaborazione essenziali per la produttività della ricerca.

Il NIST Cybersecurity Framework fornisce un approccio complementare che molte organizzazioni utilizzano insieme agli standard specifici per l’HPC. Il focus del Framework sulle funzioni Identificare, Proteggere, Rilevare, Rispondere e Recuperare aiuta le organizzazioni a sviluppare programmi di sicurezza completi che incorporano i controlli specifici per l’HPC all’interno di strategie di cybersecurity più ampie.

L‘allineamento ISO 27001/27002 negli ambienti di ricerca richiede un’attenta attenzione alle caratteristiche operative uniche dell’informatica scientifica. Le organizzazioni di ricerca che implementano gli standard ISO devono adattare gli approcci tradizionali di gestione della sicurezza delle informazioni per adattarsi alla natura collaborativa, internazionale e sensibile alle prestazioni dell’informatica scientifica, pur mantenendo l’approccio sistematico richiesto dai framework ISO.

Perché la protezione e il backup dei dati HPC sono fondamentali?

La protezione dei dati HPC va ben oltre le tradizionali strategie di backup aziendali, richiedendo approcci specializzati che affrontino le sfide uniche dei dataset di ricerca su scala petabyte e dell’infrastruttura computazionale che supporta le scoperte scientifiche critiche. Una protezione dei dati efficace negli ambienti HPC deve bilanciare i requisiti di protezione completa con le considerazioni sulle prestazioni, che rendono possibile o meno la produttività della ricerca.

Cosa rende il backup HPC fondamentalmente diverso dal backup aziendale?

La differenza di scala tra gli ambienti HPC e aziendali crea sfide di backup fondamentalmente diverse, che rendono le soluzioni aziendali tradizionali inadeguate ai requisiti di calcolo ad alte prestazioni. Mentre i sistemi aziendali gestiscono tipicamente terabyte di dati, le strutture HPC gestiscono abitualmente insiemi di dati su scala petabyte ed exabyte, che sovraccaricherebbero le infrastrutture di backup convenzionali.

I volumi di dati su scala petabyte ed exabyte trasformano le strategie di backup da operazioni di routine a grandi sfide ingegneristiche. Un singolo set di dati di ricerca potrebbe superare la capacità di archiviazione totale di interi sistemi di backup aziendali, mentre il tempo necessario per eseguire il backup di tali set di dati potrebbe durare settimane o mesi con gli approcci tradizionali. Questa scala crea scenari in cui il backup completo del sistema diventa matematicamente impossibile, date le finestre di backup e le risorse di archiviazione disponibili.

Le implicazioni sulle prestazioni delle operazioni di backup rappresentano un’altra distinzione critica rispetto agli ambienti aziendali. I sistemi HPC supportano carichi di lavoro computazionali simultanei che generano carichi I/O massicci sui sistemi di archiviazione condivisi. Gli approcci di backup tradizionali, che scansionano i file system o creano copie istantanee, tendono a influenzare pesantemente i lavori computazionali attivi, invalidando potenzialmente i risultati della ricerca o sprecando settimane di tempo di calcolo.

Le soluzioni di backup aziendali tradizionali falliscono negli ambienti HPC perché presuppongono modelli di dati relativamente stabili e volumi di dati gestibili. Gli strumenti di backup aziendali si aspettano in genere database strutturati, documenti di ufficio e dati applicativi con modelli di crescita prevedibili. I dati della ricerca HPC sono spesso costituiti da enormi set di dati scientifici, gerarchie di file complesse con milioni di piccoli file e output computazionali che possono essere generati più velocemente di quanto sarebbe necessario per eseguire il backup con metodi convenzionali.

Il NIST SP 800-234 affronta queste sfide attraverso controlli di backup specifici per HPC, tra cui CP-6 (Sito di archiviazione alternativo), CP-7 (Sito di elaborazione alternativo) e CP-9 (Backup del sistema informativo) con una guida all’implementazione personalizzata. Questi controlli riconoscono che le strategie di backup HPC devono dare priorità ai componenti critici del sistema e ai dati di ricerca insostituibili, piuttosto che tentare una copertura di backup completa che si rivela impraticabile su scala HPC.

Quali sono i requisiti unici della protezione dei dati HPC?

La protezione dei dati HPC richiede una prioritizzazione strategica che concentri le risorse di backup disponibili sui componenti di dati più critici e insostituibili, accettando al contempo che un backup completo di tutti i dati di ricerca potrebbe essere impraticabile o impossibile, dati i vincoli di scala e di prestazioni.

I dati di configurazione e i dati critici del progetto ricevono la massima priorità di protezione, poiché questi componenti sono essenziali per il funzionamento del sistema e spesso insostituibili. Le configurazioni del sistema, le directory home degli utenti contenenti il codice di ricerca e gli script di analisi e i metadati del progetto devono essere protetti in modo completo, poiché ricreare queste informazioni sarebbe estremamente difficile o impossibile.

I file system paralleli, i burst buffer e lo storage di campagna richiedono ciascuno strategie di backup diverse in base al loro ruolo nel flusso di lavoro computazionale. I file system paralleli come Lustre, GPFS (General Parallel File System) e IBM Spectrum Scale supportano carichi di lavoro computazionali attivi e richiedono approcci di backup che riducano al minimo l’impatto sulle prestazioni. I buffer Burst forniscono un’archiviazione temporanea ad alta velocità che potrebbe non richiedere un backup tradizionale, ma che necessita di capacità di recupero rapido. L’archiviazione di campagna contiene risultati di ricerca intermedi che possono giustificare un backup selettivo in base a considerazioni sul valore della ricerca e sulla riproducibilità.

Le strategie di backup basate sulle zone si allineano all’architettura a quattro zone del NIST SP 800-223, riconoscendo che le diverse zone hanno requisiti di backup e vincoli di prestazioni diversi. I dati della zona di accesso potrebbero ricevere un backup frequente a causa della loro esposizione all’esterno, mentre i dati della zona di calcolo potrebbero concentrarsi su un ripristino rapido piuttosto che su una copertura di backup completa.

I compromessi tra il backup completo del sistema e la protezione selettiva riflettono la realtà pratica che le strutture HPC devono prendere decisioni strategiche sulla protezione dei dati in base al valore della ricerca, al potenziale di riproducibilità e al costo di sostituzione. Le organizzazioni sviluppano quadri di classificazione dei dati che guidano le decisioni di backup e assicurano che le risorse di protezione si concentrino sulle risorse di ricerca più critiche.

Come Bacula Enterprise affronta la protezione dei dati su scala HPC?

Bacula Enterprise rappresenta una delle poche soluzioni di backup commerciali specificamente progettate per gestire i requisiti di scala e di performance degli ambienti HPC, fornendo funzionalità che affrontano le sfide uniche delle infrastrutture di calcolo scientifico su scala petabyte.

L’architettura di Bacula Enterprise gestisce i requisiti di prestazioni HPC attraverso operazioni di backup distribuite che scalano su più sistemi e risorse di storage simultaneamente. Questo approccio distribuito consente di eseguire operazioni di backup che non si bloccano su singoli punti di guasto, mantenendo il throughput necessario per la protezione dei dati su scala HPC senza impattare sui carichi di lavoro computazionali attivi.

L‘integrazione con file system paralleli come Lustre, GPFS e IBM Spectrum Scale richiede approcci specializzati che comprendano la natura distribuita di questi sistemi di archiviazione. Bacula Enterprise offre funzionalità di integrazione native che lavorano con i metadati e i modelli di distribuzione dei dati dei file system paralleli, consentendo operazioni di backup efficienti che sfruttano il parallelismo intrinseco dell’infrastruttura di storage HPC.

Il supporto del modello di sicurezza a zone si allinea ai requisiti del NIST SP 800-223, fornendo operazioni di backup che rispettano i confini di sicurezza e i controlli di accesso definiti nell’architettura a quattro zone. Questo include processi di backup che mantengono l’isolamento di sicurezza appropriato tra le zone, consentendo al contempo operazioni di protezione dei dati efficienti nell’intera infrastruttura HPC.

Le funzionalità chiave che rendono Bacula Enterprise adatto agli ambienti HPC includono:

• Architettura scalabile – Operazioni distribuite che scalano con la crescita dell’infrastruttura HPC.
• Ottimizzazione delle prestazioni – Operazioni di backup progettate per ridurre al minimo l’impatto sui carichi di lavoro computazionali.
• Integrazione di file system paralleli – Supporto nativo per i sistemi di archiviazione HPC e le loro caratteristiche uniche.
• Politiche di conservazione flessibili – Gestione del ciclo di vita dei dati appropriata per i dati di ricerca con requisiti di conservazione variabili
• Integrazione della sicurezza – Operazioni di backup che mantengono l’integrità della zona di sicurezza HPC e i controlli di accesso.

Quali sfide future influenzeranno la sicurezza HPC?

Il panorama della sicurezza HPC continua ad evolversi rapidamente, in quanto le tecnologie emergenti e le minacce in evoluzione creano nuove sfide che gli standard e le pratiche attuali devono adattarsi ad affrontare. Le organizzazioni che implementano la sicurezza HPC oggi devono considerare non solo i requisiti attuali, ma anche prepararsi ai progressi tecnologici che rimodelleranno sia le capacità computazionali che i paesaggi delle minacce.

In che modo le tecnologie emergenti influenzeranno l’architettura?

Le capacità di calcolo Exascale rappresentano il prossimo grande salto nelle prestazioni HPC, con una potenza di calcolo che supera i sistemi attuali di ordini di grandezza. Questi sistemi saranno caratterizzati da nuove architetture di accelerazione, tecnologie di rete rivoluzionarie e sistemi di archiviazione che operano su scale senza precedenti. Le implicazioni per la sicurezza includono superfici di attacco esponenzialmente più ampie, nuovi tipi di vulnerabilità hardware e requisiti di prestazioni che potrebbero rendere inadeguati gli attuali approcci alla sicurezza.

Le tecnologie di calcolo quantistico avranno un duplice impatto sulla sicurezza HPC, sia come risorse computazionali che richiedono protezione, sia come minacce ai sistemi crittografici esistenti. I sistemi quantistici a breve termine richiederanno controlli di sicurezza specializzati per proteggere gli stati quantistici e prevenire gli attacchi di decoerenza, mentre le capacità quantistiche a lungo termine richiederanno la migrazione ad algoritmi crittografici post-quantistici in tutta l’infrastruttura HPC.

Le tecnologie di rete e le soluzioni di archiviazione emergenti, tra cui le interconnessioni fotoniche, i sistemi di memoria persistente e le architetture di calcolo neuromorfiche, richiederanno aggiornamenti di sicurezza ai modelli attuali basati sulle zone. Queste tecnologie possono offuscare i confini tradizionali tra i componenti di calcolo, archiviazione e rete, richiedendo potenzialmente nuove definizioni di zone di sicurezza che riflettano i nuovi modelli architettonici.

A quali minacce in evoluzione devono prepararsi le organizzazioni?

Gli attacchi basati sull’intelligenza artificiale e sull’apprendimento automatico rappresentano una categoria di minaccia emergente che mira specificamente alle risorse computazionali HPC. Gli avversari potrebbero sviluppare attacchi che sfruttano l’intelligenza artificiale per identificare le vulnerabilità nei codici scientifici, ottimizzare il consumo di risorse per evitare il rilevamento o colpire aree di ricerca specifiche per il furto di proprietà intellettuale. Questi attacchi potrebbero rivelarsi particolarmente pericolosi perché possono adattarsi alle misure difensive in tempo reale.

L’evoluzione della sicurezza della catena di approvvigionamento diventa sempre più critica, poiché i sistemi HPC incorporano componenti specializzati provenienti da fornitori globali. Le minacce future potrebbero prendere di mira i progetti di silicio personalizzati, il firmware incorporato negli acceleratori o le librerie software specializzate sviluppate per i paradigmi computazionali emergenti. La sfida consiste nello sviluppare capacità di verifica per componenti sempre più complessi e specializzati.

L‘integrazione dell’edge computing estenderà le capacità HPC alle reti di rilevamento distribuite, ai sistemi autonomi e ai requisiti di calcolo in tempo reale che gli attuali modelli centralizzati non possono supportare. Questa integrazione metterà in discussione la tradizionale architettura a quattro zone, introducendo elementi computazionali distribuiti che richiedono controlli di sicurezza e che operano in ambienti potenzialmente ostili con una supervisione amministrativa limitata.

La convergenza di queste tendenze suggerisce che la sicurezza futura dell’HPC richiederà approcci più dinamici e adattivi, in grado di rispondere a capacità tecnologiche e paesaggi di minacce in rapida evoluzione, pur mantenendo le caratteristiche di performance essenziali per la scoperta e l’innovazione scientifica.

Conclusione: Che aspetto ha la sicurezza HPC efficace?

La sicurezza HPC efficace emerge dalle organizzazioni che riescono a bilanciare la produttività della ricerca con una protezione completa, implementando architetture a zone, controlli di sicurezza attenti alle prestazioni e modelli di responsabilità condivisa che coinvolgono sia gli operatori delle strutture che gli utenti della ricerca. Le implementazioni di maggior successo trattano la sicurezza non come un ostacolo alla scoperta scientifica, ma come un fattore abilitante che protegge le preziose risorse computazionali e gli investimenti nella ricerca, mantenendo le caratteristiche di collaborazione e di alte prestazioni essenziali per il progresso della conoscenza scientifica.

I fattori critici di successo per l’implementazione dei NIST SP 800-223 e SP 800-234 includono l’impegno organizzativo per il modello di responsabilità condivisa, l’investimento in strumenti e processi di sicurezza progettati per i requisiti di scala e di prestazioni dell’HPC e l’adattamento continuo alle minacce e alle capacità tecnologiche in evoluzione. Le organizzazioni devono riconoscere che la sicurezza HPC richiede competenze specializzate, risorse dedicate e una pianificazione strategica a lungo termine che va oltre i tradizionali approcci alla sicurezza IT aziendale.

Il panorama della sicurezza continua ad evolversi con l’avanzamento delle capacità HPC, le minacce emergenti e le nuove tecnologie che rimodelleranno sia le architetture computazionali che i requisiti di protezione. Le organizzazioni di successo mantengono la flessibilità nelle loro implementazioni di sicurezza, pur aderendo a principi architettonici collaudati, assicurando che la loro infrastruttura HPC supporti sia le missioni di ricerca attuali che le scoperte scientifiche future, mantenendo una protezione adeguata contro le minacce informatiche in evoluzione.

Punti di forza

• La sicurezza HPC richiede approcci specializzati che differiscono fondamentalmente dalla sicurezza IT aziendale, a causa dei requisiti di prestazione unici e dei modelli operativi incentrati sulla ricerca.
• I documenti NIST SP 800-223 e SP 800-234 forniscono una guida completa attraverso un’architettura a zone e controlli di sicurezza personalizzati che bilanciano la protezione con le prestazioni computazionali.
• Il successo dell’implementazione dipende da modelli di responsabilità condivisa, in cui gli operatori delle strutture gestiscono le protezioni dell’infrastruttura, mentre gli utenti della ricerca gestiscono le pratiche di sicurezza a livello applicativo.
• La sicurezza della catena di fornitura del software presenta sfide continue attraverso dipendenze complesse, sistemi di flusso di lavoro diversi e sviluppo collaborativo che richiede una gestione continua delle vulnerabilità.
• Le strategie di protezione dei dati devono essere adattate alla scala HPC, utilizzando approcci di backup selettivi e strumenti specializzati progettati per i dataset su scala petabyte senza impatto sulle prestazioni.
• La futura sicurezza HPC richiederà approcci adattivi che rispondano alle tecnologie emergenti come l’exascale computing, affrontando al contempo le minacce in evoluzione, compresi gli attacchi basati sull’intelligenza artificiale.