A partir de Android 10, la API de Neural Networks (NNAPI) proporciona funciones para admitir el almacenamiento en caché de artefactos de compilación, lo que reduce el tiempo que se usa para la compilación cuando se inicia una app. Con esta función de almacenamiento en caché, el controlador no necesita administrar ni limpiar los archivos almacenados en caché. Esta es una función opcional que se puede implementar con la HAL de NN 1.2. Para obtener más información sobre esta función, consulta ANeuralNetworksCompilation_setCaching.
El controlador también puede implementar el almacenamiento en caché de la compilación independientemente de la NNAPI. Esto se puede implementar independientemente de si se usan las funciones de almacenamiento en caché de la HAL y el NDK de NNAPI. AOSP proporciona una biblioteca de utilidades de bajo nivel (un motor de almacenamiento en caché). Para obtener más información, consulta Cómo implementar un motor de almacenamiento en caché.
Descripción general del flujo de trabajo
En esta sección, se describen los flujos de trabajo generales con la función de almacenamiento en caché de compilación implementada.
Se proporciona información de la caché y se produce un acierto de caché
- La app pasa un directorio de almacenamiento en caché y una suma de verificación única para el modelo.
- El tiempo de ejecución de NNAPI busca los archivos de caché según la suma de verificación, la preferencia de ejecución y el resultado de la partición, y encuentra los archivos.
- La NNAPI abre los archivos de caché y pasa los identificadores al controlador con
prepareModelFromCache. - El controlador prepara el modelo directamente desde los archivos de caché y devuelve el modelo preparado.
Se proporcionó información de la caché y se produjo un error de caché
- La app pasa una suma de verificación única para el modelo y un directorio de almacenamiento en caché.
- El tiempo de ejecución de la NNAPI busca los archivos de almacenamiento en caché según la suma de verificación, la preferencia de ejecución y el resultado de la partición, y no encuentra los archivos de caché.
- La NNAPI crea archivos de caché vacíos basados en la suma de verificación, la preferencia de ejecución y la partición, abre los archivos de caché y pasa los identificadores y el modelo al controlador con
prepareModel_1_2. - El controlador compila el modelo, escribe información de almacenamiento en caché en los archivos de caché y devuelve el modelo preparado.
No se proporcionó información sobre la caché
- La app invoca la compilación sin proporcionar información de almacenamiento en caché.
- La app no pasa nada relacionado con el almacenamiento en caché.
- El tiempo de ejecución de la NNAPI pasa el modelo al controlador con
prepareModel_1_2. - El controlador compila el modelo y devuelve el modelo preparado.
Información de caché
La información de almacenamiento en caché que se proporciona a un controlador consta de un token y identificadores de archivos de caché.
Token
El token es un token de almacenamiento en caché de longitud Constant::BYTE_SIZE_OF_CACHE_TOKEN que identifica el modelo preparado. Se proporciona el mismo token cuando se guardan los archivos de caché con prepareModel_1_2 y cuando se recupera el modelo preparado con prepareModelFromCache. El cliente del conductor debe elegir un token con una tasa de colisión baja. El conductor no puede detectar una colisión de tokens. Una colisión genera una ejecución fallida o una ejecución exitosa que produce valores de salida incorrectos.
Identificadores de archivos de caché (dos tipos de archivos de caché)
Los dos tipos de archivos de caché son la caché de datos y la caché de modelos.
- Caché de datos: Se usa para almacenar en caché datos constantes, incluidos los búferes de tensores transformados y procesados previamente. Una modificación en la caché de datos no debería generar ningún efecto peor que la generación de valores de salida incorrectos en el tiempo de ejecución.
- Caché del modelo: Se usa para almacenar en caché datos sensibles a la seguridad, como código de máquina ejecutable compilado en el formato binario nativo del dispositivo. Una modificación en la caché del modelo podría afectar el comportamiento de ejecución del controlador, y un cliente malicioso podría aprovechar esto para ejecutar más allá del permiso otorgado. Por lo tanto, el controlador debe verificar si la caché del modelo está dañada antes de preparar el modelo a partir de la caché. Para obtener más información, consulta Seguridad.
El controlador debe decidir cómo se distribuye la información de la caché entre los dos tipos de archivos de caché y debe informar cuántos archivos de caché necesita para cada tipo con getNumberOfCacheFilesNeeded.
El tiempo de ejecución de la NNAPI siempre abre los identificadores de archivos de caché con permiso de lectura y escritura.
Seguridad
En el almacenamiento en caché de compilación, la caché del modelo puede contener datos sensibles a la seguridad, como código de máquina ejecutable compilado en el formato binario nativo del dispositivo. Si no se protege correctamente, una modificación en la caché del modelo puede afectar el comportamiento de ejecución del controlador. Debido a que el contenido de la caché se almacena en el directorio de la app, el cliente puede modificar los archivos de la caché. Un cliente con errores puede dañar accidentalmente la caché, y un cliente malicioso podría usar esto intencionalmente para ejecutar código no verificado en el dispositivo. Según las características del dispositivo, esto puede ser un problema de seguridad. Por lo tanto, el controlador debe poder detectar posibles daños en la caché del modelo antes de preparar el modelo desde la caché.
Una forma de hacerlo es que el controlador mantenga un mapa del token a un hash criptográfico de la caché del modelo. El controlador puede almacenar el token y el hash de su caché del modelo cuando guarda la compilación en la caché. El controlador verifica el nuevo hash de la caché del modelo con el par de hash y token registrados cuando recupera la compilación de la caché. Esta asignación debe persistir en los reinicios del sistema. El conductor puede usar el servicio de almacén de claves de Android, la biblioteca de utilidades en framework/ml/nn/driver/cache o cualquier otro mecanismo adecuado para implementar un administrador de asignaciones. Cuando se actualiza el controlador, este administrador de asignaciones debe reinicializarse para evitar la preparación de archivos de caché de una versión anterior.
Para evitar ataques de tiempo de verificación a tiempo de uso (TOCTOU), el controlador debe calcular el hash registrado antes de guardarlo en el archivo y calcular el hash nuevo después de copiar el contenido del archivo en un búfer interno.
En este código de ejemplo, se muestra cómo implementar esta lógica.
bool saveToCache(const sp<V1_2::IPreparedModel> preparedModel,
const hidl_vec<hidl_handle>& modelFds, const hidl_vec<hidl_handle>& dataFds,
const HidlToken& token) {
// Serialize the prepared model to internal buffers.
auto buffers = serialize(preparedModel);
// This implementation detail is important: the cache hash must be computed from internal
// buffers instead of cache files to prevent time-of-check to time-of-use (TOCTOU) attacks.
auto hash = computeHash(buffers);
// Store the {token, hash} pair to a mapping manager that is persistent across reboots.
CacheManager::get()->store(token, hash);
// Write the cache contents from internal buffers to cache files.
return writeToFds(buffers, modelFds, dataFds);
}
sp<V1_2::IPreparedModel> prepareFromCache(const hidl_vec<hidl_handle>& modelFds,
const hidl_vec<hidl_handle>& dataFds,
const HidlToken& token) {
// Copy the cache contents from cache files to internal buffers.
auto buffers = readFromFds(modelFds, dataFds);
// This implementation detail is important: the cache hash must be computed from internal
// buffers instead of cache files to prevent time-of-check to time-of-use (TOCTOU) attacks.
auto hash = computeHash(buffers);
// Validate the {token, hash} pair by a mapping manager that is persistent across reboots.
if (CacheManager::get()->validate(token, hash)) {
// Retrieve the prepared model from internal buffers.
return deserialize<V1_2::IPreparedModel>(buffers);
} else {
return nullptr;
}
}
Casos de uso avanzados
En algunos casos de uso avanzados, un controlador requiere acceso al contenido de la caché (lectura o escritura) después de la llamada de compilación. Estos son algunos ejemplos de casos de uso:
- Compilación justo a tiempo: La compilación se retrasa hasta la primera ejecución.
- Compilación en varias etapas: Inicialmente, se realiza una compilación rápida y, más adelante, se realiza una compilación optimizada opcional según la frecuencia de uso.
Para acceder al contenido de la caché (lectura o escritura) después de la llamada de compilación, asegúrate de que el controlador cumpla con lo siguiente:
- Duplica los identificadores de archivos durante la invocación de
prepareModel_1_2oprepareModelFromCachey lee o actualiza el contenido de la caché más adelante. - Implementa la lógica de bloqueo de archivos fuera de la llamada de compilación ordinaria para evitar que se produzca una escritura de forma simultánea con una lectura o con otra escritura.
Implementa un motor de almacenamiento en caché
Además de la interfaz de almacenamiento en caché de compilación del HAL de NN 1.2, también puedes encontrar una biblioteca de utilidades de almacenamiento en caché en el directorio frameworks/ml/nn/driver/cache. El subdirectorio nnCache contiene código de almacenamiento persistente para que el controlador implemente el almacenamiento en caché de compilación sin usar las funciones de almacenamiento en caché de la NNAPI. Esta forma de almacenamiento en caché de compilación se puede implementar con cualquier versión del HAL de NN. Si el controlador elige implementar el almacenamiento en caché desconectado de la interfaz HAL, es responsable de liberar los artefactos almacenados en caché cuando ya no se necesiten.