Guia e padrões de segurança HPC: NIST SP 800-223 e SP 800-234

O que é a segurança da computação de alto desempenho e por que ela é importante?

A computação de alto desempenho (HPC) é a espinha dorsal da infraestrutura essencial para a descoberta científica, o avanço da inteligência artificial e a competitividade econômica nacional. Como esses sistemas processam dados de pesquisa cada vez mais confidenciais e suportam cargas de trabalho computacionais de missão crítica, as abordagens tradicionais de segurança empresarial não conseguem lidar com os desafios exclusivos inerentes aos ambientes de HPC. Saber como trabalhar com essas diferenças fundamentais é essencial para implementar medidas de segurança eficazes que protejam recursos computacionais valiosos sem comprometer a produtividade geral.

A computação de alto desempenho refere-se à prática de usar supercomputadores e técnicas de processamento paralelo para resolver problemas computacionais altamente complexos que exigem enorme capacidade de processamento. Esses sistemas normalmente apresentam milhares de processadores interconectados, aceleradores especializados, como GPUs, e infraestrutura de rede de alta velocidade capaz de realizar quatrilhões de cálculos por segundo. Os sistemas HPC oferecem suporte a aplicativos essenciais em vários domínios:

• Pesquisa científica e modelagem – simulação climática, descoberta de medicamentos, física nuclear e ciência dos materiais
• Inteligência artificial e aprendizado de máquina – Treinamento de grandes modelos de linguagem, visão computacional e pesquisa de aprendizado profundo
• Engenharia e design – Dinâmica de fluidos computacional, análise estrutural e otimização de produtos
• Modelagem financeira – Análise de risco, negociação algorítmica e previsão econômica
• Aplicações de segurança nacional – Pesquisa criptográfica, modelagem de defesa e análise de inteligência

As implicações de segurança dos sistemas de HPC vão muito além das preocupações típicas da infraestrutura de TI. Um ataque bem-sucedido a uma instalação de HPC pode resultar em roubo de propriedade intelectual no valor de bilhões de dólares, comprometendo dados de pesquisa confidenciais, interrompendo programas científicos essenciais ou até mesmo sendo classificado como violação de segurança nacional.

Por que os padrões e a arquitetura de segurança da HPC são importantes nas instalações modernas

A segurança da HPC difere fundamentalmente da TI corporativa por meio da complexidade arquitetônica e do design que prioriza o desempenho. Ao contrário da infraestrutura comercial convencional, os sistemas de HPC priorizam o desempenho computacional bruto e, ao mesmo tempo, gerenciam centenas de milhares de componentes, criando superfícies de ataque ampliadas e difíceis de monitorar de forma abrangente. As ferramentas de segurança tradicionais não conseguem lidar com o volume e a velocidade das operações de HPC, enquanto as cargas de trabalho sensíveis ao desempenho tornam os controles de segurança padrão, como a verificação de malware em tempo real, potencialmente destrutivos para operações em escala de petabytes.

Antes do NIST SP 800-223 e do SP 800-234, as organizações não tinham uma orientação abrangente e padronizada adaptada aos ambientes de HPC. Agora, esses padrões complementares abordam essa lacuna de conhecimento usando uma arquitetura de referência fundamental de quatro zonas que reconhece requisitos de segurança distintos em pontos de acesso, sistemas de gerenciamento, recursos de computação e armazenamento de dados. Ela ainda documenta cenários de ataque específicos de HPC, como coleta de credenciais e ataques à cadeia de suprimentos.

As instalações do mundo real exemplificam esses desafios. Os sistemas do Oak Ridge National Laboratory contêm centenas de milhares de núcleos de computação e armazenamento em escala de exabytes, ao mesmo tempo em que equilibram os requisitos de várias missões que dão suporte a pesquisas não classificadas, projetos confidenciais e aplicativos classificados. Eles acomodam colaboração internacional e ambientes de software dinâmicos que as abordagens tradicionais de segurança corporativa não conseguem atender com eficácia.

O modelo multitenancy cria uma complexidade adicional, pois os usuários de HPC exigem acesso direto ao sistema, compilação de software personalizado e recursos de execução de código arbitrário. Isso exige limites de segurança que equilibrem a flexibilidade da pesquisa com os requisitos de proteção em ecossistemas especializados, incluindo bibliotecas científicas, códigos de pesquisa e gerenciadores de pacotes com centenas de dependências.

Como podemos entender a arquitetura e as ameaças à segurança da HPC?

A segurança da HPC exige uma mudança fundamental na perspectiva dos modelos tradicionais de segurança empresarial. A complexidade arquitetônica exclusiva e o cenário de ameaças dos ambientes de computação de alto desempenho exigem estruturas especializadas que reconheçam as tensões existentes entre o desempenho computacional e os controles de segurança.

O NIST SP 800-223 fornece a base arquitetônica ao estabelecer um modelo de referência de quatro zonas que reconhece os requisitos de segurança distintos entre os diferentes componentes do sistema HPC. Essa abordagem dividida em zonas reconhece que as políticas de segurança gerais não são suficientemente eficazes quando se trata de lidar com os diferentes cenários de ameaças e requisitos operacionais encontrados em pontos de acesso, sistemas de gerenciamento, recursos de computação e infraestrutura de armazenamento de dados.

A relação complementar entre o NIST SP 800-223 e o SP 800-234 cria uma estrutura de segurança abrangente especificamente adaptada aos ambientes de HPC. Aqui, o SP 800-223 define a estrutura arquitetônica e identifica os principais cenários de ameaças, enquanto o SP 800-234 fornece orientações detalhadas de implementação por meio de sobreposições de controle de segurança que adaptam as estruturas existentes ao contexto operacional específico da HPC.

Uma abordagem de padrão duplo como essa aborda lacunas críticas na orientação de segurança da HPC, fornecendo tanto a arquitetura conceitual quanto os detalhes práticos de implementação. Com ela, as organizações vão além da adaptação de estruturas de segurança corporativa inadequadas e passam a implementar medidas de segurança específicas que protegem os recursos computacionais sem comprometer a produtividade da pesquisa ou as missões de descoberta científica.

O que o NIST SP 800-223 estabelece para a arquitetura de segurança de HPC?

O NIST SP 800-223 fornece a estrutura arquitetônica fundamental que transforma a segurança da HPC de implementações ad-hoc em estratégias de proteção estruturadas e baseadas em zonas. Esse padrão apresenta uma abordagem sistemática para proteger ambientes complexos de HPC e, ao mesmo tempo, manter as características de desempenho essenciais para operações de pesquisa e computação científica.

Como funciona a arquitetura de referência de quatro zonas?

A arquitetura de quatro zonas reconhece que diferentes componentes de HPC exigem abordagens de segurança distintas com base em suas funções operacionais, exposição a ameaças e requisitos de desempenho. Esse modelo dividido em zonas substitui as políticas de segurança de tamanho único por proteções direcionadas que reconhecem as características exclusivas de cada área funcional.

A Access Zone funciona como a interface externa que deve equilibrar a acessibilidade para usuários legítimos com a proteção contra ameaças externas. Os controles de segurança aqui se concentram na validação do acesso inicial e, ao mesmo tempo, dão suporte às sessões interativas e às transferências maciças de dados essenciais para a produtividade da pesquisa.

Os componentes da Management Zone exigem proteção elevada de privilégios, pois o comprometimento dessa zona pode afetar toda a infraestrutura de HPC. As medidas de segurança enfatizam os controles de acesso administrativo e o monitoramento de operações privilegiadas que controlam o comportamento do sistema e a alocação de recursos em todas as zonas.

A zona de computação de alto desempenho enfrenta o desafio de manter o desempenho computacional e, ao mesmo tempo, proteger os recursos compartilhados em várias cargas de trabalho simultâneas. Os controles devem minimizar a sobrecarga e, ao mesmo tempo, evitar a contaminação cruzada entre diferentes projetos de pesquisa que compartilham a mesma infraestrutura física.

As implementações de segurança da Data Storage Zone visam proteger contra a corrupção de dados e o acesso não autorizado, mantendo o desempenho em sistemas que lidam com armazenamento em escala de petabytes com milhares de operações simultâneas de nós de computação distribuídos.

Quais são os cenários reais de ataque contra os sistemas HPC?

O NIST SP 800-223 documenta quatro padrões de ataque principais que visam especificamente as características da infraestrutura de HPC e os requisitos operacionais. Esses cenários refletem a inteligência de ameaças reais e a análise de incidentes de instalações de HPC em todo o mundo.

Coleta de credenciais

Os ataques de coleta de credenciais exploram a duração prolongada das sessões e os padrões de acesso compartilhado comuns em ambientes de HPC. Os invasores têm como alvo trabalhos computacionais de longa duração e contas de projetos compartilhados para estabelecer um acesso persistente que permanece sem ser detectado por meses. O ataque é bem-sucedido ao comprometer as credenciais externas por meio de phishing ou violações de dados e, em seguida, aproveitar os padrões legítimos de acesso à HPC para evitar a detecção e manter o acesso contínuo ao sistema.

Exploração remota

Os cenários de exploração remota concentram-se em serviços externos vulneráveis que fornecem funcionalidade legítima de HPC, mas criam vetores de ataque aos sistemas internos. Portais da Web, serviços de transferência de arquivos e ferramentas de visualização remota tornam-se pontos de articulação quando não estão devidamente protegidos ou isolados. Os atacantes exploram esses serviços para contornar as defesas de perímetro e ganhar uma posição inicial no ambiente de HPC antes de se deslocarem lateralmente para sistemas mais sensíveis.

Ataques à cadeia de suprimentos

Os ataques à cadeia de suprimentos têm como alvo o complexo ecossistema de software que dá suporte às operações de HPC. O código mal-intencionado entra por meio de pipelines de CI/CD (integração contínua/implantação contínua), repositórios de software comprometidos ou dependências contaminadas em sistemas de gerenciamento de pacotes como o Spack. Esses ataques são particularmente perigosos porque afetam várias instalações simultaneamente e podem permanecer inativos até serem acionados por condições computacionais específicas ou entradas de dados.

Ataques de delegados confusos

Os ataques Confused Deputy manipulam programas privilegiados para que façam mau uso de sua autoridade em nome de partes não autorizadas. Em ambientes de HPC, esses ataques geralmente têm como alvo agendadores de tarefas, mecanismos de fluxo de trabalho ou ferramentas administrativas que operam com privilégios elevados em várias zonas. O ataque é bem-sucedido ao fornecer informações mal-intencionadas que fazem com que programas legítimos executem ações não autorizadas enquanto parecem operar normalmente.

O que torna o cenário de ameaças à HPC único?

O ambiente de ameaças da HPC difere significativamente da TI corporativa devido às decisões de design orientadas para o desempenho e aos requisitos operacionais focados em pesquisa que criam novas superfícies de ataque e desafios defensivos.

As compensações entre desempenho e segurança criam vulnerabilidades fundamentais que não existem nos ambientes tradicionais de TI. Os compromissos comuns orientados pelo desempenho incluem:

• Recursos de segurança desativados – Randomização do layout do espaço de endereço, canários de pilha e proteção de memória removidos para eficiência computacional
• Interconexões de alta velocidade não criptografadas – Redes sensíveis à latência que sacrificam a criptografia para obter ganhos de desempenho de microssegundos
• Sistemas de arquivos com prioridade de throughput – Sistemas de armazenamento compartilhado que minimizam a sobrecarga de controle de acesso para maximizar o desempenho de E/S
• Requisitos de autenticação relaxados – Trabalhos de longa duração e processamento em lote afetam negativamente a aplicação da autenticação multifatorial

Essas decisões arquitetônicas criam condições exploráveis que os invasores aproveitam para comprometer sistemas que, de outra forma, estariam protegidos em ambientes corporativos tradicionais.

A complexidade da cadeia de suprimentos em ambientes de HPC excede em muito os desafios típicos de gerenciamento de software corporativo. As instalações modernas de HPC gerenciam mais de 300 sistemas de fluxo de trabalho com gráficos de dependência complexos que abrangem bibliotecas científicas, middleware, software de sistema e códigos de pesquisa personalizados. Essa complexidade inerente cria vários pontos de entrada para a injeção de códigos mal-intencionados e torna a validação de segurança abrangente extremamente difícil de implementar e manter.

O multilocatário em projetos de pesquisa complica a aplicação tradicional dos limites de segurança. Diferentemente dos sistemas corporativos com funções de usuário e classificação de dados bem definidas, os sistemas HPC devem suportar associações dinâmicas de projetos, colaborações temporárias e níveis variáveis de sensibilidade de dados dentro da infraestrutura compartilhada. Essa estrutura cria cenários em que os controles de acesso tradicionais e os mecanismos de isolamento de dados se mostram inadequados para os requisitos de computação de pesquisa.

O surgimento do “phishing científico” é outro tópico importante – um novo vetor de ataque em que agentes mal-intencionados fornecem dados de entrada contaminados, modelos computacionais ou fluxos de trabalho de análise que parecem legítimos, mas contêm explorações ocultas. Esses ataques têm como alvo a natureza colaborativa da pesquisa científica e a tendência de os pesquisadores compartilharem dados, códigos e recursos computacionais além das fronteiras institucionais sem passar por uma validação de segurança abrangente.

O que a sobreposição de controle de segurança do NIST SP 800-234 oferece?

O NIST SP 800-234 traduz a estrutura arquitetônica do SP 800-223 em controles de segurança acionáveis especificamente adaptados às realidades operacionais da HPC. Esse padrão fornece a orientação prática de implementação que transforma a arquitetura de segurança teórica em medidas de proteção implementáveis, mantendo as características de desempenho essenciais para a computação científica.

Como funciona a estrutura de sobreposição Moderate Baseline Plus?

A sobreposição do SP 800-234 baseia-se na linha de base moderada do NIST SP 800-53, aplicando a adaptação específica de HPC para criar uma estrutura de controle de segurança abrangente. Essa abordagem reconhece que os ambientes de HPC exigem práticas de segurança estabelecidas e adaptações especializadas que atendem a requisitos computacionais exclusivos.

A estrutura abrange um total de 288 controles de segurança, que consistem em 287 controles da linha de base SP 800-53 Moderate, além da adição do AC-10 (Concurrent Session Control) especificamente para ambientes multiusuários de HPC. Essa linha de base fornece medidas de segurança comprovadas, reconhecendo que as implementações corporativas padrão geralmente não são suficientes para as demandas operacionais da HPC.

Sessenta controles críticos recebem adaptações específicas para HPC e orientações suplementares que abordam os desafios exclusivos dos ambientes de computação de alto desempenho. Essas modificações variam de abordagens de implementação conscientes do desempenho a requisitos totalmente novos que não existem em ambientes de TI tradicionais. O processo de adaptação considera fatores como:

• Minimização do impacto no desempenho – Controles adaptados para reduzir a sobrecarga computacional
• Implementações adequadas à escala – medidas de segurança projetadas para sistemas com centenas de milhares de componentes
• Considerações sobre multilocação – Controles aprimorados para ambientes de computação de pesquisa compartilhados
• Aplicativos específicos da zona – Requisitos diferenciados nas zonas de acesso, gerenciamento, computação e armazenamento de dados

A orientação específica da zona fornece aos implementadores uma direção detalhada para a aplicação de controles diferentes na arquitetura de quatro zonas. As zonas de acesso exigem abordagens de autenticação diferentes das zonas de computação, enquanto as zonas de gerenciamento precisam de monitoramento aprimorado de privilégios, o que seria impraticável para zonas de armazenamento de dados de alto rendimento.

A orientação suplementar é uma expansão das descrições de controle padrão usando contexto HPC adicional, exemplos de implementação e considerações de desempenho. Essa orientação preenche a lacuna entre os requisitos genéricos de segurança e as realidades operacionais específicas dos ambientes de computação científica.

Quais são as categorias de controle críticas para HPC?

A sobreposição identifica as principais famílias de controle que exigem a adaptação mais significativa para ambientes de HPC, refletindo as características operacionais exclusivas e os cenários de ameaças dos sistemas de computação de alto desempenho.

Controle de acesso baseado em função

O controle de acesso baseado em função (AC-2, AC-3) recebe ampla orientação específica para HPC devido aos complexos padrões de acesso inerentes à computação de pesquisa. Ao contrário dos ambientes corporativos com funções de usuário relativamente estáticas, os sistemas de HPC devem suportar associações dinâmicas de projetos, colaborações temporárias de pesquisa e requisitos de acesso variáveis com base nas necessidades de recursos computacionais. O gerenciamento de contas deve acomodar os pesquisadores que podem precisar de diferentes níveis de privilégios em vários projetos simultâneos e, ao mesmo tempo, manter uma responsabilidade clara e trilhas de auditoria.

Registro em log específico para HPC

O registro de log específico de HPC (AU-2, AU-4, AU-5) aborda os desafios de volume e velocidade maciços do monitoramento de segurança em ambientes de alto desempenho. As prioridades de registro específicas da zona ajudam as organizações a concentrar os esforços de monitoramento nos eventos de segurança mais críticos e a gerenciar petabytes de dados de registro em potencial. As estratégias de gerenciamento de volume incluem filtragem inteligente, análise em tempo real e abordagens de armazenamento em camadas que mantêm a visibilidade da segurança sem sobrecarregar os sistemas de armazenamento e análise.

Gerenciamento de sessões

Os controles do Session Management (AC-2(5), AC-10, AC-12) são adaptados aos requisitos de tempo exclusivos das cargas de trabalho computacionais. Os trabalhos computacionais de longa duração podem ser executados por dias ou semanas, exigindo mecanismos de tempo limite de sessão que façam distinção entre sessões de depuração interativas e processamento legítimo de lotes. As sessões de depuração interativa precisam de políticas de tempo limite diferentes das da execução automatizada do fluxo de trabalho, enquanto a detecção de inatividade deve levar em conta padrões computacionais válidos que podem parecer inativos para os sistemas de monitoramento tradicionais.

Arquitetura de autenticação

A orientação da arquitetura de autenticação (IA-1, IA-2, IA-11) aborda quando a autenticação multifatorial deve ser exigida ou delegada dentro dos limites de confiança do sistema estabelecido. Os pontos de acesso externos exigem autenticação forte, mas a comunicação interna de zona a zona pode usar autenticação baseada em certificados ou tokens para manter o desempenho e, ao mesmo tempo, garantir a responsabilidade. A orientação ajuda as organizações a equilibrar os requisitos de segurança com a necessidade de comunicação inter-sistemas automatizada e de alta velocidade.

Quais implementações de segurança específicas da zona são recomendadas?

A sobreposição fornece orientações detalhadas de implementação para cada zona da arquitetura de quatro zonas, reconhecendo que os controles de segurança devem ser adaptados às características operacionais específicas e aos perfis de ameaças dos diferentes componentes do sistema HPC.

As implementações da Access Zone concentram-se na proteção de conexões externas e, ao mesmo tempo, no suporte a transferências de dados de alto volume e sessões interativas essenciais para a produtividade da pesquisa. As medidas de segurança incluem monitoramento aprimorado da sessão para nós de login, protocolos de transferência de arquivos seguros que mantêm as características de desempenho e proteções de portal da Web que equilibram usabilidade e segurança. O gerenciamento da sessão do usuário deve acomodar o trabalho interativo e as operações automatizadas de transferência de dados sem criar barreiras às atividades legítimas de pesquisa.

As proteções da zona de gerenciamento exigem salvaguardas adicionais para funções administrativas privilegiadas que afetam as operações de todo o sistema. O monitoramento aprimorado abrange padrões de acesso administrativo, rastreamento de alterações de configuração e modificações na política do agendador de tarefas. O registro de operações privilegiadas fornece trilhas de auditoria detalhadas para ações que podem comprometer a integridade do sistema ou afetar vários projetos de pesquisa simultaneamente.

As implementações de segurança da Computing Zone abordam o desafio de proteger os recursos computacionais compartilhados e, ao mesmo tempo, manter os requisitos de desempenho em nível de microssegundos das cargas de trabalho de HPC. A proteção de recursos compartilhados de GPU inclui mecanismos de isolamento de memória, procedimentos de gerenciamento de energia de emergência para o desligamento normal do sistema e processos de higienização de nós de computação que garantem um estado limpo entre diferentes trabalhos computacionais. Os controles de segurança devem minimizar o impacto sobre o desempenho e, ao mesmo tempo, evitar a contaminação cruzada entre cargas de trabalho de pesquisa simultâneas.

As recomendações da Zona de Armazenamento de Dados concentram-se em abordagens de proteção de integridade que funcionam de forma eficaz com sistemas de arquivos paralelos em escala de petabytes. A orientação de implementação abrange a verificação de integridade distribuída, estratégias de backup para conjuntos de dados maciços e mecanismos de controle de acesso que mantêm o desempenho de alto rendimento. O desafio envolve a proteção contra ataques mal-intencionados e falhas no sistema que podem comprometer os dados de pesquisa que representam anos de investimento computacional.

Como as organizações implementam a segurança de HPC na prática?

Passar da documentação de padrões para a realidade operacional exige que as organizações enfrentem desafios complexos de implementação e, ao mesmo tempo, mantenham a produtividade da pesquisa. As implantações bem-sucedidas de segurança de HPC equilibram estruturas teóricas com restrições práticas, cultura organizacional e a realidade fundamental de que as medidas de segurança devem aprimorar e não prejudicar a descoberta científica.

O que é o modelo de segurança “Sheriffs and Deputies”?

As implementações de segurança de HPC mais eficazes adotam o que os profissionais chamam de modelo “Sheriffs and Deputies” (xerifese delegados ) – uma estrutura de responsabilidade compartilhada que reconhece os recursos de aplicação gerenciados pelas instalações e a função essencial das práticas de segurança gerenciadas pelo usuário na proteção dos recursos computacionais.

Os controles gerenciados pelas instalações são os “xerifes” da segurança da HPC, fornecendo mecanismos de aplicação centralizados que os usuários não podem contornar ou desativar. Esses controles incluem regras de firewall no nível da rede, sistemas de autenticação centralizados e políticas de agendamento de trabalhos, entre outros. A instalação também mantém o monitoramento no nível do sistema que rastreia o uso de recursos, detecta padrões de comportamento anômalos e fornece trilhas de auditoria para requisitos de conformidade.

As estruturas de autorização representam outro componente crítico gerenciado pela instalação, onde os Comitês de Utilização de Recursos (RUCs) e os processos de aprovação de projetos garantem que o acesso computacional esteja alinhado com os objetivos de pesquisa aprovados. Esses mecanismos impedem o uso não autorizado de recursos e, ao mesmo tempo, mantêm a responsabilidade clara por todas as atividades computacionais dentro da instalação.

As responsabilidades gerenciadas pelo usuário funcionam como“representantes” nesse modelo de segurança, lidando com aspectos que não podem ser automatizados de forma eficaz ou controlados centralmente. Os pesquisadores são responsáveis pela higienização dos dados de entrada, garantindo que os conjuntos de dados e os modelos computacionais não contenham conteúdo malicioso que possa comprometer a integridade do sistema. A correção e a segurança do código tornam-se responsabilidades do usuário, principalmente para aplicativos de pesquisa personalizados que os administradores das instalações não podem validar de forma abrangente.

O gerenciamento de acesso a projetos geralmente envolve a coordenação de usuários, especialmente em ambientes de pesquisa colaborativa em que várias instituições compartilham recursos computacionais. Os usuários devem entender e cumprir os requisitos de classificação de dados, as restrições de controle de exportação e as proteções de propriedade intelectual que podem variar entre diferentes projetos de pesquisa executados na mesma infraestrutura.

Esse modelo de responsabilidade compartilhada reconhece que a segurança eficaz da HPC exige a participação ativa tanto dos operadores das instalações quanto dos usuários de pesquisa. Nenhuma das partes é capaz de garantir uma proteção abrangente por conta própria – as instalações não têm o conhecimento especializado para validar todos os códigos e conjuntos de dados de pesquisa, enquanto os usuários não têm o acesso no nível do sistema necessário para implementar proteções no nível da infraestrutura.

Quais são as “regras de ouro” práticas de segurança?

Os profissionais experientes em segurança de HPC contam com princípios fundamentais que traduzem padrões complexos em orientações operacionais cotidianas. Essas regras práticas ajudam as organizações a tomar decisões de segurança consistentes e a se adaptar à natureza dinâmica dos ambientes de computação de pesquisa.

O princípio da identidade exige que toda atividade computacional seja rastreada até uma pessoa identificável e autorizada. Embora isso possa parecer simples, torna-se muito mais complexo em ambientes com contas compartilhadas, fluxos de trabalho automatizados e trabalhos em lote de longa duração. As implementações bem-sucedidas mantêm trilhas de auditoria claras que conectam o uso de recursos computacionais a indivíduos específicos, mesmo quando vários pesquisadores colaboram em projetos compartilhados ou quando sistemas automatizados executam fluxos de trabalho computacionais em nome dos usuários.

O escopo da autorização deve estar alinhado aos limites do projeto e aos objetivos de pesquisa aprovados, em vez dos modelos tradicionais baseados em funções. A aprovação do Comitê de Utilização de Recursos orienta as decisões de acesso, garantindo que os privilégios computacionais correspondam ao escopo das atividades de pesquisa aprovadas. Essa abordagem evita o problema do aumento do escopo, com os pesquisadores obtendo acesso a recursos muito além dos requisitos legítimos do projeto e, ao mesmo tempo, apoiando a natureza colaborativa da pesquisa científica.

Os requisitos de autenticação seguem uma abordagem baseada em riscos que faz distinção entre diferentes tipos de acesso ao sistema e atividades computacionais. A autenticação de dois fatores torna-se obrigatória para pontos de acesso externos e funções administrativas, mas pode ser delegada a mecanismos baseados em certificados ou tokens para comunicação interna entre sistemas que exija operação automatizada e de alta velocidade.

O compartilhamento de credenciais representa um desafio persistente em ambientes de pesquisa em que a colaboração geralmente envolve recursos computacionais compartilhados. A regra prática enfatiza a responsabilidade individual – mesmo em projetos colaborativos, as credenciais de acesso devem permanecer vinculadas a indivíduos específicos que são responsáveis pelas atividades computacionais realizadas sob sua identidade.

Quais abordagens de segurança com consciência de desempenho funcionam?

As implementações de segurança de HPC no mundo real são bem-sucedidas ao reconhecerem que a degradação do desempenho prejudica os objetivos de segurança e de pesquisa. As organizações desenvolvem estratégias de segurança que protegem os recursos computacionais sem criar barreiras ao trabalho científico legítimo.

A varredura de vulnerabilidades exige uma orquestração cuidadosa para evitar o impacto nos sistemas de arquivos em escala de petabytes que atendem a milhares de trabalhos computacionais simultâneos. As abordagens bem-sucedidas incluem programações de varredura fora do horário de pico, arquiteturas de varredura distribuída que distribuem cargas de avaliação em vários sistemas e varredura inteligente que se concentra em componentes críticos do sistema em vez de tentar uma cobertura abrangente durante os períodos operacionais de pico.

A proteção contra malware em ambientes de HPC abandona as abordagens tradicionais de varredura em tempo real que se mostram incompatíveis com cargas de trabalho computacionais de alto rendimento. Em vez disso, as implementações eficazes usam análise comportamental que monitora padrões computacionais anômalos, análise de tráfego de rede que detecta padrões de comunicação não autorizados e varredura off-line periódica de componentes críticos do sistema durante as janelas de manutenção programada.

A diferenciação do controle de segurança por tipo de nó permite que as organizações apliquem níveis de proteção adequados sem criar penalidades de desempenho universal. Os nós de login e os sistemas de gerenciamento recebem um monitoramento de segurança abrangente, pois lidam com autenticação sensível e funções administrativas, enquanto os nós de computação se concentram em mecanismos de isolamento e proteção de recursos que mantêm o desempenho computacional.

As estratégias de proteção de dados equilibram requisitos abrangentes de backup com a realidade de que não é possível fazer backup de conjuntos de dados em escala de petabytes usando abordagens empresariais tradicionais. As organizações implementam estratégias de proteção em camadas que oferecem proteção completa para dados de configuração essenciais e diretórios pessoais de usuários, enquanto usam abordagens alternativas, como replicação distribuída e verificação de integridade para grandes conjuntos de dados de pesquisa que não seriam viáveis para backup abrangente.

A segmentação da rede oferece benefícios de segurança e, ao mesmo tempo, mantém a comunicação de alta velocidade essencial para cargas de trabalho computacionais paralelas. Implementações eficazes usam o isolamento baseado em zonas que se alinha com a arquitetura SP 800-223 e, ao mesmo tempo, garante que os padrões legítimos de comunicação computacional não sejam interrompidos pelos controles de segurança projetados para ambientes de rede corporativos tradicionais.

Lista de verificação de segurança baseada em riscos para ambientes de HPC

Essa lista de verificação de segurança priorizada ajuda as organizações a implementar os controles do NIST SP 800-223 e SP 800-234 com base nos níveis de risco, garantindo que as vulnerabilidades críticas recebam atenção imediata e, ao mesmo tempo, criando uma proteção abrangente ao longo do tempo.

Itens críticos/alto risco (ação imediata necessária)

Controle de acesso e autenticação:

• Verifique se a autenticação multifatorial é aplicada em todos os pontos de acesso externos (nós de login, portais da Web, nós de transferência de dados)
• Auditar contas privilegiadas em todas as zonas – garantir que não haja credenciais administrativas compartilhadas
• Analise e documente todas as contas de serviço com permissões de acesso entre zonas
• Valide se as senhas padrão foram alteradas em todos os componentes da infraestrutura de HPC

Proteção da interface externa:

• Confirmar se as regras de firewall segmentam adequadamente as quatro zonas de segurança de acordo com a arquitetura SP 800-223
• Verificar os serviços voltados para o exterior quanto a vulnerabilidades conhecidas e aplicar patches de segurança críticos
• Verificar se os protocolos seguros (SSH, HTTPS, SFTP) são usados para todas as comunicações externas
• Revisar e restringir serviços de rede desnecessários e portas abertas

Classificação e proteção de dados:

• Identificar e classificar todos os dados confidenciais de pesquisa de acordo com os requisitos organizacionais e regulamentares
• Verifique a conformidade com o controle de exportação para acesso de pesquisadores internacionais e compartilhamento de dados
• Confirmar a existência de procedimentos de backup para dados críticos de configuração e diretórios pessoais de usuários
• Validar a implementação de criptografia para dados em repouso em zonas de armazenamento e dados em trânsito
• Implementar uma solução de proteção de dados específica para HPC e alinhada ao NIST, como o Bacula Enterprise

Itens de risco médio (a serem resolvidos em 3 a 6 meses)

Segurança do software e da cadeia de suprimentos:

• Implementar o rastreamento automatizado do inventário de software usando ferramentas SBOM (Spack, contêineres ou gerenciadores de pacotes)
• Estabelecer cronogramas de varredura de vulnerabilidades que minimizem o impacto sobre as cargas de trabalho computacionais
• Documentar e avaliar as práticas de segurança de fornecedores de software HPC críticos e dependências
• Criar procedimentos de resposta a incidentes específicos para ambientes de HPC e arquitetura de várias zonas

Monitoramento e registro de logs:

• Configurar prioridades de registro específicas da zona de acordo com a orientação do SP 800-234 (controles AU-2, AU-4, AU-5)
• Implementar monitoramento automatizado para padrões incomuns de uso de recursos computacionais
• Estabelecer políticas de retenção de registros que equilibrem os custos de armazenamento com os requisitos de conformidade
• Implantar ferramentas de gerenciamento de eventos e informações de segurança (SIEM) capazes de processar dados em escala HPC

Segurança operacional:

• Desenvolver e testar procedimentos de recuperação de desastres para cada zona de segurança
• Criar treinamento de conscientização de segurança específico para ambientes de HPC e colaboração em pesquisa
• Estabelecer procedimentos para implantação segura de software e gerenciamento de configuração
• Implementar avaliações de segurança regulares que levem em conta os requisitos de desempenho da HPC

Itens de menor risco (atividades de manutenção contínua)

Documentação e conformidade:

• Manter os diagramas de rede e a documentação da arquitetura do sistema atualizados
• Revisar e atualizar as políticas de segurança anualmente para refletir as mudanças nos requisitos de pesquisa
• Documentar as funções e responsabilidades de segurança usando o modelo “Sheriffs and Deputies”.
• Realizar revisões anuais dos direitos de acesso do usuário e das permissões baseadas em projetos

Melhoria contínua:

• Participar dos fóruns da comunidade de segurança da HPC e do compartilhamento de informações sobre ameaças
• Avaliar as tecnologias de segurança emergentes quanto à aplicabilidade da HPC e ao impacto no desempenho
• Realizar exercícios de mesa periódicos para resposta a incidentes de segurança
• Avaliar os requisitos de segurança de HPC híbrida e em nuvem à medida que a infraestrutura evolui

Monitoramento do desempenho:

• Monitorar o impacto do desempenho do controle de segurança sobre as cargas de trabalho computacionais
• Revisar e otimizar as configurações das ferramentas de segurança para minimizar o impacto na produtividade da pesquisa
• Avaliar novas abordagens de segurança que mantenham as características de desempenho da HPC
• Acompanhar as métricas de segurança e os principais indicadores de desempenho específicos dos ambientes de computação de pesquisa

Quais são as considerações necessárias sobre segurança de software e cadeia de suprimentos para HPC?

Os ambientes de HPC dependem de ecossistemas de software extraordinariamente complexos que criam desafios de segurança exclusivos muito além dos ambientes tradicionais de TI corporativa. Gerenciar centenas de bibliotecas científicas, sistemas de fluxo de trabalho e códigos de pesquisa personalizados e, ao mesmo tempo, manter a segurança requer abordagens especializadas que equilibrem os benefícios da colaboração de código aberto com o gerenciamento abrangente de riscos.

Como o senhor protege pilhas complexas de software de HPC?

O gerenciamento de software HPC apresenta uma complexidade sem precedentes por meio de gerenciadores de pacotes, como o Spack, que lidam com relações de dependência complexas entre centenas de bibliotecas de computação científica, compiladores e ambientes de tempo de execução. Essa complexidade cria desafios de segurança que as abordagens tradicionais de gerenciamento de software corporativo não conseguem resolver com eficácia.

Os gerenciadores de pacotes em ambientes de HPC gerenciam gráficos de dependência exponencialmente mais complexos do que o software corporativo típico. Um único aplicativo científico pode depender de dezenas de bibliotecas matemáticas, cada uma com suas próprias dependências de compiladores, bibliotecas de comunicação e componentes de nível de sistema. O Spack, o principal gerenciador de pacotes de HPC, geralmente gerencia de 300 a 500 pacotes de software distintos com relações de dependência que mudam com base nas escolhas do compilador, nos sinalizadores de otimização e nas arquiteturas de hardware de destino.

As implicações de segurança incluem vulnerabilidades na cadeia de suprimentos, em que o código malicioso entra por qualquer ponto do gráfico de dependência. Diferentemente dos ambientes corporativos com catálogos de software controlados, os sistemas de HPC incorporam regularmente códigos de pesquisa de ponta, bibliotecas experimentais e aplicativos científicos personalizados que podem não ter uma validação de segurança abrangente.

Os benefícios do software de código aberto impulsionam a adoção da HPC, mas complicam o gerenciamento de riscos de segurança. As comunidades de pesquisa dependem de modelos de desenvolvimento colaborativo em que a qualidade do código e as práticas de segurança variam significativamente entre os projetos. As principais considerações incluem:

• Prazos de divulgação de vulnerabilidades – Os projetos de pesquisa podem não ter processos formais de resposta de segurança
• Continuidade da manutenção – os projetos acadêmicos geralmente perdem o financiamento ou o suporte ao desenvolvedor
• Variação da qualidade do código – Os códigos de pesquisa priorizam a precisão científica em detrimento das práticas de segurança
• Complexidade da integração – A combinação de vários códigos de pesquisa aumenta a área de superfície de ataque

As práticas de programação defensiva tornam-se essenciais para atenuar as vulnerabilidades de software em códigos de pesquisa. As organizações implementam processos de revisão de código para aplicativos científicos críticos, estruturas de teste automatizadas que validam a correção científica e as propriedades de segurança, além de abordagens de sandboxing que isolam os códigos experimentais dos recursos computacionais de produção.

Quais são os desafios de segurança de CI/CD e fluxo de trabalho?

A proliferação de sistemas automatizados de fluxo de trabalho em ambientes de HPC cria desafios substanciais de segurança, pois as organizações gerenciam mais de 300 ferramentas distintas de gerenciamento de fluxo de trabalho, cada uma com diferentes modelos de segurança, requisitos de credenciais e abordagens de integração.

Os sistemas de fluxo de trabalho científico variam de simples envios de trabalhos em lote a plataformas complexas de orquestração de várias instalações que coordenam recursos computacionais em várias instituições. Exemplos comuns incluem Pegasus, Kepler, Taverna e NextFlow, cada um projetado para diferentes domínios científicos e padrões de computação. Essa diversidade cria desafios de segurança, pois cada sistema exige mecanismos de autenticação diferentes, tem níveis variados de maturidade de segurança e se integra de forma diferente à infraestrutura de HPC.

O gerenciamento de credenciais para fluxos de trabalho automatizados representa um desafio de segurança persistente. Os fluxos de trabalho científicos geralmente exigem acesso a várias instalações de computação, bancos de dados externos e recursos de nuvem, o que requer credenciais de longa duração que executam operações sem supervisão além das fronteiras institucionais. As abordagens tradicionais de gerenciamento de credenciais corporativas mostram-se inadequadas para os requisitos de computação de pesquisa.

Os riscos comuns à segurança das credenciais incluem:

• Exposição de variáveis de ambiente – Credenciais confidenciais armazenadas em ambientes de shell acessíveis a outros processos
• Vazamento de argumentos da linha de comando – Tokens de autenticação visíveis em listas de processos e logs do sistema
• Armazenamento de arquivos de configuração – Credenciais de texto simples em arquivos de configuração de fluxo de trabalho compartilhados entre equipes de pesquisa
• Autenticação entre instalações – Credenciais que fornecem acesso a várias instituições e provedores de nuvem

A orquestração externa cria desafios de segurança adicionais à medida que os sistemas de fluxo de trabalho coordenam recursos em várias organizações, provedores de nuvem e instalações de pesquisa internacionais. Esses sistemas devem equilibrar os requisitos de colaboração em pesquisa com controles de segurança, restrições de exportação e políticas de segurança institucionais variadas.

Fluxos de trabalho automatizados em várias instalações exigem mecanismos sofisticados de delegação de credenciais que mantenham a segurança e, ao mesmo tempo, permitam o acesso contínuo a recursos entre as fronteiras organizacionais. Isso inclui lidar com diferentes sistemas de autenticação, gerenciar a delegação temporária de credenciais e garantir trilhas de auditoria em vários domínios administrativos.

Como o senhor implementa as listas de materiais de software (SBOM) para HPC?

O gerenciamento de inventário de software em ambientes de HPC requer abordagens que lidem com a natureza dinâmica e focada em pesquisa da computação científica e, ao mesmo tempo, forneçam a visibilidade necessária para o gerenciamento eficaz de vulnerabilidades e relatórios de conformidade.

Os ambientes dinâmicos de pesquisa complicam as abordagens tradicionais de SBOM, pois as instalações de computação científica mudam com frequência com base nos requisitos de pesquisa em evolução. Os pesquisadores instalam regularmente novos pacotes de software, modificam as instalações existentes com patches personalizados e criam ambientes computacionais totalmente novos para projetos de pesquisa específicos. Isso cria inventários de software em constante evolução que resistem às abordagens de documentação estática.

O rastreamento automatizado do inventário torna-se essencial para manter listas de materiais de software precisas em ambientes em que o rastreamento manual não é prático. As implementações bem-sucedidas incluem abordagens baseadas em contêineres que capturam ambientes de software completos, integração do gerenciador de pacotes que rastreia automaticamente os componentes instalados e ferramentas de análise de tempo de execução que descobrem as dependências reais do software durante a execução computacional.

O rastreamento de vulnerabilidades em pilhas de software em constante evolução exige abordagens automatizadas que garantam os seguintes recursos:

• Monitorar fontes upstream – Rastrear avisos de segurança para centenas de projetos de software científico
• Avaliar o escopo do impacto – Determinar quais instalações e projetos de pesquisa são afetados por vulnerabilidades específicas
• Priorizar a correção – Concentrar as atualizações de segurança nos componentes de software que representam o maior risco
• Coordenar atualizações – Gerenciar atualizações de software em vários projetos de pesquisa sem interromper o trabalho computacional em andamento

As estruturas automatizadas de teste e validação oferecem benefícios de segurança e, ao mesmo tempo, apoiam a produtividade da pesquisa, garantindo que as atualizações de software não introduzam regressões na precisão científica ou no desempenho computacional. Essas estruturas incluem pipelines de integração contínua que validam as propriedades de segurança e a correção científica, testes de regressão automatizados que detectam alterações nos resultados computacionais e benchmarking de desempenho que garantem que as atualizações de segurança não prejudiquem a eficiência computacional.

As estratégias de gerenciamento de contêineres e ambientes ajudam as organizações a implementar práticas eficazes de SBOM, fornecendo ambientes de software imutáveis que são completamente documentados, controlados por versão e validados por segurança. As abordagens de conteinerização, como Singularity e Docker, permitem que as organizações criem ambientes computacionais reproduzíveis e, ao mesmo tempo, mantenham inventários de software claros para análise de segurança.

Como os diferentes setores aplicam os padrões de segurança e os requisitos de conformidade da HPC?

A implementação da segurança da HPC varia drasticamente entre os setores, com cada um enfrentando requisitos regulatórios distintos, restrições operacionais e cenários de ameaças que moldam como os padrões do NIST se traduzem em medidas práticas de segurança.

Quais são os requisitos do governo e da defesa?

As instalações de HPC do governo operam sob estruturas normativas rigorosas que vão muito além dos requisitos básicos do NIST SP 800-223 e SP 800-234. Os laboratórios nacionais do Departamento de Energia devem estar em conformidade com estruturas de políticas abrangentes, incluindo FIPS 199 para categorização de informações, NIST SP 800-53 para controles de segurança detalhados e NIST SP 800-63 para diretrizes de identidade digital que regem a autenticação e o gerenciamento de acesso em todos os recursos computacionais.

Essas instalações enfrentam proibições absolutas em determinados tipos de processamento de informações. Dados classificados, informações nucleares controladas não classificadas (UCNI), informações de propulsão nuclear naval (NNPI) e quaisquer dados de desenvolvimento de armas são estritamente proibidos em sistemas HPC não classificados. As violações resultam em graves consequências legais e na revogação da autorização de segurança da instalação.

As normas de controle de exportação criam uma complexidade operacional adicional, afetando particularmente a colaboração internacional e o gerenciamento de equipamentos. Os pesquisadores internacionais podem enfrentar restrições de acesso, enquanto os componentes de hardware e os tokens de segurança geralmente não podem atravessar as fronteiras nacionais. Essas restrições afetam significativamente a colaboração científica e exigem uma coordenação cuidadosa com os escritórios de conformidade para garantir que as atividades legítimas de pesquisa não violem inadvertidamente as normas.

Quais são os desafios enfrentados pelas instituições acadêmicas e de pesquisa?

As instituições acadêmicas navegam em um cenário fundamentalmente diferente, no qual os princípios da ciência aberta muitas vezes entram em conflito com as restrições de segurança necessárias. As universidades de pesquisa precisam equilibrar os requisitos de transparência e colaboração com a proteção de dados confidenciais de pesquisa, propriedade intelectual e informações dos alunos.

O gerenciamento da segurança em vários projetos de pesquisa com diferentes níveis de sensibilidade cria uma complexidade operacional que as empresas comerciais raramente enfrentam. Uma única instalação de HPC pode suportar simultaneamente pesquisas básicas não classificadas, projetos proprietários patrocinados pelo setor e pesquisas financiadas pelo governo com restrições de controle de exportação. Cada projeto exige diferentes controles de acesso, medidas de proteção de dados e relatórios de conformidade.

A colaboração internacional representa tanto uma oportunidade quanto um desafio para as instituições acadêmicas. Embora a colaboração científica global impulsione a inovação e a descoberta, ela também cria considerações de segurança em relação ao acesso de pesquisadores estrangeiros, ao compartilhamento de dados entre fronteiras nacionais e à conformidade com diversas regulamentações internacionais. As universidades devem manter a abertura da pesquisa e, ao mesmo tempo, lidar com preocupações legítimas de segurança sobre influência estrangeira e transferência de tecnologia.

Quais são as considerações de segurança da HPC comercial?

Os ambientes comerciais de HPC enfrentam desafios exclusivos em relação à integração com a nuvem e às implementações híbridas. Muitas organizações agora combinam recursos de HPC no local com recursos computacionais baseados em nuvem, criando arquiteturas de segurança que abrangem vários domínios administrativos e modelos de segurança. Essa abordagem híbrida exige atenção cuidadosa à soberania dos dados, ao gerenciamento de credenciais entre ambientes e à aplicação consistente de políticas de segurança.

O gerenciamento de fornecedores em ambientes comerciais de HPC envolve fornecedores especializados de hardware e software que podem ter maturidade de segurança limitada em comparação com os fornecedores corporativos tradicionais. As organizações devem avaliar as práticas de segurança em toda a cadeia de suprimentos, desde os fabricantes de silício personalizado até os desenvolvedores de software científico especializado.

Os ambientes comerciais com vários locatários criam desafios de segurança adicionais, pois os provedores de HPC em nuvem precisam isolar várias cargas de trabalho de clientes e, ao mesmo tempo, manter as características de desempenho que justificam os investimentos em HPC. Isso exige recursos sofisticados de isolamento de recursos, segmentação de rede e monitoramento que vão além das abordagens tradicionais de segurança na nuvem.

Como esses padrões se integram a outras estruturas de segurança?

Os desafios de integração se tornam aparentes quando as organizações precisam alinhar os requisitos do FISMA e do FedRAMP com as implementações específicas da HPC. Os órgãos federais que usam recursos de HPC em nuvem devem garantir que os provedores de nuvem atendam aos requisitos de autorização do FedRAMP e, ao mesmo tempo, implementem os controles específicos de HPC descritos no SP 800-234. Isso geralmente requer implementações de controle de segurança personalizadas que satisfaçam as duas estruturas simultaneamente.

O NIST SP 800-171 desempenha um papel fundamental quando os sistemas de HPC processam informações não classificadas controladas (CUI) em ambientes de pesquisa. As instituições acadêmicas e as organizações de pesquisa comercial devem implementar os 110 requisitos de segurança do SP 800-171 e, ao mesmo tempo, manter as características de desempenho e colaboração essenciais para a produtividade da pesquisa.

A estrutura de segurança cibernética do NIST oferece uma abordagem complementar que muitas organizações usam juntamente com os padrões específicos de HPC. O foco da estrutura nas funções Identificar, Proteger, Detectar, Responder e Recuperar ajuda as organizações a desenvolver programas de segurança abrangentes que incorporam controles específicos de HPC em estratégias mais amplas de segurança cibernética.

O alinhamento da ISO 27001/27002 em ambientes de pesquisa requer atenção cuidadosa às características operacionais exclusivas da computação científica. As organizações de pesquisa que implementam as normas ISO devem adaptar as abordagens tradicionais de gerenciamento de segurança da informação para acomodar a natureza colaborativa, internacional e sensível ao desempenho da computação científica e, ao mesmo tempo, manter a abordagem sistemática exigida pelas estruturas ISO.

Por que a proteção e o backup de dados de HPC são essenciais?

A proteção de dados de HPC vai muito além das estratégias tradicionais de backup corporativo, exigindo abordagens especializadas que tratem dos desafios exclusivos dos conjuntos de dados de pesquisa em escala de petabytes e da infraestrutura computacional que dá suporte às descobertas científicas essenciais. A proteção eficaz de dados em ambientes de HPC deve equilibrar os requisitos de proteção abrangente com as considerações de desempenho que fazem a produtividade da pesquisa aumentar ou diminuir.

O que torna o backup de HPC fundamentalmente diferente do backup corporativo?

A diferença de escala entre os ambientes de HPC e corporativos cria desafios de backup fundamentalmente diferentes que tornam as soluções corporativas tradicionais inadequadas para os requisitos de computação de alto desempenho. Enquanto os sistemas corporativos normalmente gerenciam terabytes de dados, as instalações de HPC lidam rotineiramente com conjuntos de dados em escala de petabytes e exabytes que sobrecarregariam a infraestrutura de backup convencional.

Os volumes de dados em escala de petabytes e exabytes transformam as estratégias de backup de operações de rotina em grandes desafios de engenharia. Um único conjunto de dados de pesquisa pode exceder a capacidade total de armazenamento de sistemas de backup empresariais inteiros, enquanto o tempo necessário para fazer o backup desses conjuntos de dados pode durar semanas ou meses usando abordagens tradicionais. Essa escala cria cenários em que o backup completo do sistema se torna matematicamente impossível, considerando as janelas de backup e os recursos de armazenamento disponíveis.

As implicações de desempenho das operações de backup representam outra distinção fundamental em relação aos ambientes corporativos. Os sistemas HPC suportam cargas de trabalho computacionais simultâneas que geram cargas massivas de E/S em sistemas de armazenamento compartilhados. As abordagens tradicionais de backup que examinam os sistemas de arquivos ou criam cópias de instantâneos tendem a afetar gravemente os trabalhos computacionais ativos, o que pode invalidar os resultados da pesquisa ou desperdiçar semanas de tempo computacional.

As soluções tradicionais de backup corporativo falham em ambientes de HPC porque pressupõem padrões de dados relativamente estáveis e volumes de dados gerenciáveis. Em geral, as ferramentas de backup corporativo esperam bancos de dados estruturados, documentos de escritório e dados de aplicativos com padrões de crescimento previsíveis. Os dados de pesquisa de HPC geralmente consistem em conjuntos de dados científicos maciços, hierarquias de arquivos complexas com milhões de arquivos pequenos e resultados computacionais que podem ser gerados mais rapidamente do que seria necessário para fazer o backup usando métodos convencionais.

O NIST SP 800-234 aborda esses desafios por meio de controles de backup específicos para HPC, incluindo CP-6 (local de armazenamento alternativo), CP-7 (local de processamento alternativo) e CP-9 (backup do sistema de informações) com orientação de implementação personalizada. Esses controles reconhecem que as estratégias de backup de HPC devem priorizar os componentes críticos do sistema e os dados de pesquisa insubstituíveis, em vez de tentar uma cobertura de backup abrangente que se mostra impraticável em escala de HPC.

Quais são os requisitos exclusivos da proteção de dados de HPC?

A proteção de dados de HPC requer uma priorização estratégica que concentre os recursos de backup disponíveis nos componentes de dados mais críticos e insubstituíveis, ao mesmo tempo em que aceita que o backup abrangente de todos os dados de pesquisa pode ser impraticável ou impossível devido às restrições de escala e desempenho.

Os dados de configuração e os dados críticos do projeto recebem a maior prioridade de proteção, pois esses componentes são essenciais para a operação do sistema e, muitas vezes, insubstituíveis. As configurações do sistema, os diretórios pessoais dos usuários que contêm códigos de pesquisa e scripts de análise e os metadados do projeto devem ser protegidos de forma abrangente, pois a recriação dessas informações seria extremamente difícil ou impossível.

Os sistemas de arquivos paralelos, os burst buffers e o armazenamento de campanha exigem diferentes estratégias de backup com base em sua função no fluxo de trabalho computacional. Os sistemas de arquivos paralelos, como Lustre, GPFS (General Parallel File System) e IBM Spectrum Scale, suportam cargas de trabalho computacionais ativas e exigem abordagens de backup que minimizem o impacto no desempenho. Os buffers de burst fornecem armazenamento temporário de alta velocidade que pode não exigir backup tradicional, mas precisa de recursos de recuperação rápida. O armazenamento de campanha mantém resultados intermediários de pesquisa que podem justificar o backup seletivo com base no valor da pesquisa e em considerações de reprodutibilidade.

As estratégias de backup baseadas em zonas estão alinhadas com a arquitetura de quatro zonas do NIST SP 800-223, reconhecendo que diferentes zonas têm requisitos de backup e restrições de desempenho variados. Os dados da zona de acesso podem receber backups frequentes devido à sua exposição externa, enquanto os dados da zona de computação podem se concentrar na recuperação rápida em vez de uma cobertura de backup abrangente.

As compensações entre o backup completo do sistema e a proteção seletiva refletem a realidade prática de que as instalações de HPC precisam tomar decisões estratégicas sobre a proteção de dados com base no valor da pesquisa, no potencial de reprodutibilidade e no custo de substituição. As organizações desenvolvem estruturas de classificação de dados que orientam as decisões de backup e garantem que os recursos de proteção se concentrem nos ativos de pesquisa mais críticos.

Como o Bacula Enterprise aborda a proteção de dados em escala HPC?

O Bacula Enterprise representa uma das poucas soluções comerciais de backup projetadas especificamente para lidar com os requisitos de escala e desempenho dos ambientes HPC, fornecendo recursos que abordam os desafios exclusivos da infraestrutura de computação científica em escala de petabytes.

A arquitetura do Bacula Enterprise lida com os requisitos de desempenho da HPC por meio de operações de backup distribuídas que são dimensionadas em vários sistemas e recursos de armazenamento simultaneamente. Essa abordagem distribuída permite que as operações de backup não se limitem a pontos únicos de falha, mantendo a taxa de transferência necessária para a proteção de dados em escala HPC sem afetar as cargas de trabalho computacionais ativas.

A integração com sistemas de arquivos paralelos como Lustre, GPFS e IBM Spectrum Scale requer abordagens especializadas que compreendam a natureza distribuída desses sistemas de armazenamento. O Bacula Enterprise oferece recursos de integração nativos que funcionam com os padrões de distribuição de metadados e dados dos sistemas de arquivos paralelos, permitindo operações de backup eficientes que aproveitam o paralelismo inerente da infraestrutura de armazenamento HPC.

O suporte ao modelo de segurança baseado em zonas alinha-se aos requisitos do NIST SP 800-223, fornecendo operações de backup que respeitam os limites de segurança e os controles de acesso definidos na arquitetura de quatro zonas. Isso inclui processos de backup que mantêm o isolamento de segurança adequado entre as zonas, permitindo operações eficientes de proteção de dados em toda a infraestrutura HPC.

Os principais recursos que tornam o Bacula Enterprise adequado para ambientes de HPC incluem:

• Arquitetura escalonável – Operações distribuídas que são escalonadas com o crescimento da infraestrutura HPC
• Otimização do desempenho – Operações de backup projetadas para minimizar o impacto sobre as cargas de trabalho computacionais
• Integração de sistemas de arquivos paralelos – Suporte nativo para sistemas de armazenamento HPC e suas características únicas
• Políticas de retenção flexíveis – Gerenciamento do ciclo de vida dos dados apropriado para dados de pesquisa com requisitos de retenção variados
• Integração de segurança – Operações de backup que mantêm a integridade da zona de segurança da HPC e os controles de acesso

Quais desafios futuros afetarão a segurança da HPC?

O cenário de segurança da HPC continua evoluindo rapidamente, pois as tecnologias emergentes e as ameaças em evolução criam novos desafios que os padrões e as práticas atuais precisam adaptar para enfrentar. As organizações que implementam a segurança de HPC hoje devem considerar não apenas os requisitos atuais, mas também se preparar para os avanços tecnológicos que remodelarão os recursos computacionais e os cenários de ameaças.

Como as tecnologias emergentes afetarão a arquitetura?

Os recursos de computação em escala exata representam o próximo grande salto no desempenho da HPC, trazendo uma potência computacional que excede os sistemas atuais em ordens de magnitude. Esses sistemas contarão com novas arquiteturas de aceleradores, tecnologias de rede revolucionárias e sistemas de armazenamento que operam em escalas sem precedentes. As implicações de segurança incluem superfícies de ataque exponencialmente maiores, novos tipos de vulnerabilidades de hardware e requisitos de desempenho que podem tornar inadequadas as abordagens de segurança atuais.

As tecnologias de computação quântica criarão impactos duplos na segurança da HPC – tanto como recursos computacionais que exigem proteção quanto como ameaças aos sistemas criptográficos existentes. Os sistemas quânticos de curto prazo exigiriam controles de segurança especializados para proteger os estados quânticos e evitar ataques de decoerência, enquanto os recursos quânticos de longo prazo exigirão a migração para algoritmos criptográficos pós-quânticos em toda a infraestrutura de HPC.

As tecnologias emergentes de rede e as soluções de armazenamento, incluindo interconexões fotônicas, sistemas de memória persistente e arquiteturas de computação neuromórfica, exigirão atualizações de segurança para os modelos atuais baseados em zonas. Essas tecnologias podem borrar os limites tradicionais entre os componentes de computação, armazenamento e rede, o que pode exigir novas definições de zonas de segurança que reflitam novos padrões de arquitetura.

Para quais ameaças em evolução as organizações devem se preparar?

Os ataques baseados em IA e aprendizado de máquina representam uma categoria de ameaça emergente que visa especificamente aos recursos computacionais de HPC. Os adversários podem desenvolver ataques que aproveitem a inteligência artificial para identificar vulnerabilidades em códigos científicos, otimizar o consumo de recursos para evitar a detecção ou visar áreas de pesquisa específicas para roubo de propriedade intelectual. Esses ataques podem ser particularmente perigosos porque podem se adaptar às medidas defensivas em tempo real.

A evolução da segurança da cadeia de suprimentos torna-se cada vez mais crítica à medida que os sistemas HPC incorporam componentes especializados de fornecedores globais. As ameaças futuras podem ter como alvo projetos de silício personalizados, firmware incorporado em aceleradores ou bibliotecas de software especializadas desenvolvidas para paradigmas computacionais emergentes. O desafio envolve o desenvolvimento de recursos de verificação para componentes que estão se tornando cada vez mais complexos e especializados.

A integração da computação de borda ampliará os recursos de HPC para redes de sensoriamento distribuído, sistemas autônomos e requisitos computacionais em tempo real que os modelos centralizados atuais não podem suportar. Essa integração desafiará a arquitetura tradicional de quatro zonas ao introduzir elementos computacionais distribuídos que exigem controles de segurança enquanto operam em ambientes potencialmente hostis com supervisão administrativa limitada.

A convergência dessas tendências sugere que a segurança futura da HPC exigirá abordagens mais dinâmicas e adaptáveis que respondam às rápidas mudanças nos recursos tecnológicos e nos cenários de ameaças, mantendo as características de desempenho essenciais para a descoberta e a inovação científicas.

Conclusão: Como é a segurança eficaz da HPC?

A segurança eficaz da HPC emerge de organizações que conseguem equilibrar a produtividade da pesquisa com uma proteção abrangente, implementando arquiteturas baseadas em zonas, controles de segurança conscientes do desempenho e modelos de responsabilidade compartilhada que envolvem tanto os operadores das instalações quanto os usuários de pesquisa. As implementações mais bem-sucedidas tratam a segurança não como uma barreira para a descoberta científica, mas como um facilitador que protege recursos computacionais valiosos e investimentos em pesquisa, mantendo as características colaborativas e de alto desempenho essenciais para o avanço do conhecimento científico.

Os fatores críticos de sucesso para a implementação do NIST SP 800-223 e do SP 800-234 incluem o compromisso organizacional com o modelo de responsabilidade compartilhada, o investimento em ferramentas e processos de segurança projetados para os requisitos de escala e desempenho da HPC e a adaptação contínua às ameaças e aos recursos tecnológicos em evolução. As organizações devem reconhecer que a segurança da HPC exige conhecimento especializado, recursos dedicados e planejamento estratégico de longo prazo que vai além das abordagens tradicionais de segurança de TI empresarial.

O cenário de segurança continua evoluindo com o avanço dos recursos de HPC, ameaças emergentes e novas tecnologias que remodelarão tanto as arquiteturas computacionais quanto os requisitos de proteção. As organizações bem-sucedidas mantêm a flexibilidade em suas implementações de segurança e, ao mesmo tempo, aderem a princípios arquitetônicos comprovados, garantindo que a infraestrutura de HPC dê suporte às missões de pesquisa atuais e às futuras descobertas científicas, além de manter a proteção adequada contra as ameaças cibernéticas em evolução.

Principais conclusões

• A segurança da HPC requer abordagens especializadas que diferem fundamentalmente da segurança da TI empresarial devido aos requisitos exclusivos de desempenho e aos modelos operacionais voltados para a pesquisa
• O NIST SP 800-223 e o SP 800-234 fornecem orientação abrangente por meio de arquitetura baseada em zonas e controles de segurança personalizados que equilibram a proteção com o desempenho computacional
• A implementação bem-sucedida depende de modelos de responsabilidade compartilhada em que os operadores das instalações gerenciam as proteções da infraestrutura, enquanto os usuários de pesquisa lidam com as práticas de segurança no nível do aplicativo
• A segurança da cadeia de suprimentos de software apresenta desafios contínuos por meio de dependências complexas, diversos sistemas de fluxo de trabalho e desenvolvimento colaborativo que exigem gerenciamento contínuo de vulnerabilidades
• As estratégias de proteção de dados devem ser adaptadas à escala da HPC usando abordagens de backup seletivo e ferramentas especializadas projetadas para conjuntos de dados em escala de petabytes sem impacto no desempenho
• A segurança futura da HPC exigirá abordagens adaptativas que respondam às tecnologias emergentes, como a computação em exaescala, ao mesmo tempo em que aborda as ameaças em evolução, incluindo ataques com tecnologia de IA.