基于SoC的IPSec協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)

引 言 
    IPSe[1]作為一種實現(xiàn)VPN的安全協(xié)議體系，目前已在VPN設(shè)備中廣泛使用。但是，隨著千兆位高速網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展，對VPN設(shè)備在時效性等方面提出了更高的要求。因此，必須從體系結(jié)構(gòu)等方面，研究新的技術(shù)方法實現(xiàn)IPSec。在IPSec安全設(shè)備中，SoC技術(shù)將是一種較好的選擇。soC將系統(tǒng)的CPU、I/O接口、存儲器、算法、協(xié)議處理等模塊全部集成到單一半導(dǎo)體芯片上，實現(xiàn)IPSec協(xié)議的全部功能，成為構(gòu)筑IPSec安全設(shè)備的核心部件，極大地提高了高速V。PN網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性、時效性以及較高的性能價格比。

1 IPSec協(xié)議 
    IPSec協(xié)議是因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)針對TCP/IP協(xié)議沒有安全機(jī)制的嚴(yán)重缺陷而專門制定的IP安全標(biāo)準(zhǔn)，用以在IP層實現(xiàn)訪問控制、無連接完整性、數(shù)據(jù)源驗證、抗重播、數(shù)據(jù)加密和有限的業(yè)務(wù)流機(jī)密性等多種安全服務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)由一系列協(xié)議組成，各協(xié)議之間的關(guān)系如圖1所示。

    *基金項目：“十五”期間國家密碼發(fā)展基金密碼理論研究課題“密碼soc芯片的體系結(jié)構(gòu)和安全性研究”。 
有關(guān)協(xié)議的解釋如下： 
    ①AH[2] (Authentication Header)是一個安全協(xié)議頭，在傳輸模式下為IP層數(shù)據(jù)流提供數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)源身份認(rèn)證、一些可選的和有限的抗重播服務(wù)。 
    ②EsP[3] (Encapsulating Security Payload)是一個插入到IP數(shù)據(jù)報內(nèi)部的協(xié)議頭，為IP層流量數(shù)據(jù)提供機(jī)密性、數(shù)據(jù)源身份認(rèn)證、抗重播以及數(shù)據(jù)完整性等安全服務(wù)。 
    ③認(rèn)證與加密算法是IPSec實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?，其中，加密算法用于ESP，可以采用DES、IDEA等密碼算法；認(rèn)證算法用于AH，可以采用3DES、RC5等算法。 
    ④IKE[4](Internet Key Exchange)是密鑰交換協(xié)議，用于在IPSec通信雙方建立共享安全參數(shù)及驗證過的密鑰，以建立一種安全關(guān)聯(lián)關(guān)系。 
    ⑤DoI(Domain of Interpretation)是一個單獨的文檔，用于存放IKE協(xié)商的參數(shù)。 
    ⑥SA(Security ASSOCiation)是安全關(guān)聯(lián)協(xié)議，是主機(jī)、路由器兩個應(yīng)用IPS ec實體之間的一種單向邏輯連接。sA有安全策略庫(sPDB)和安全關(guān)聯(lián)庫(sADB)，存儲了安全策略的具體細(xì)節(jié)，包括保護(hù)的內(nèi)容、保護(hù)的方式、保護(hù)通信數(shù)據(jù)的主體等策略。

2 SoC技術(shù) 
    目前，SoC平臺主要用于CSoC、SoPC、EPGA等芯片開發(fā)。其中，CSoC稱為可配置系統(tǒng)級芯片，一般包括1個處理器內(nèi)核、可編程邏輯陣列和其它一些通用部件；SoPC是可編程的單芯片系統(tǒng)，如Altera的Nios內(nèi)核模塊；EPGA是以FPGA為主體的SoC芯片。使用這些SoC開發(fā)平臺，可以充分利用系統(tǒng)級芯片集成度高和性能優(yōu)越的特點，靈活設(shè)計開發(fā)各種專用Soc芯片。
(1)開發(fā)平臺的選擇 
    SoC平臺開發(fā)套件包括：各種工具與資源軟件、可以重構(gòu)的硬件電路結(jié)構(gòu)驗證平臺和使用說明書等。其可用軟件資源包括：供選用的多種嵌入式處理器核，硬件模塊設(shè)計語言及其編譯器，仿真、綜合和布局、布線工具等；設(shè)計語言包括HDL、C/C++等。開發(fā)平臺的選擇取決于器件的來源：當(dāng)選用商品化器件時，可以選擇Altera的SOPC開發(fā)環(huán)境QUARTUSII；當(dāng)選擇自主研發(fā)Soc時，應(yīng)使用相關(guān)的專用開發(fā)平臺。
(2)lP庫的選擇 
    IP庫的選擇應(yīng)針對器件類型，選擇通用的IP核。對安全性要求較高的算法模塊，應(yīng)采取訪問控制、抗解剖分析等技術(shù)措施；對可變邏輯模塊，應(yīng)采用FPGA，以保證可編程的特點。
(3)芯片結(jié)構(gòu)的選擇 
    SoC的主體部分由CPU和ASIC組成。在設(shè)計過程中，芯片結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)從系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)劃、協(xié)議處理速度要求、便于實現(xiàn)、Vetilog HDL編程實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，以及所用邏輯模塊的實際結(jié)構(gòu)等幾個角度入手。 
Altera的SoC芯片[5]構(gòu)成如圖2所示。

 

(4)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計 
    SoC的基本結(jié)構(gòu)是具有一個成多個微處理器，以及可編程硬件邏輯，因此，在SoC設(shè)計中必須進(jìn)行軟硬件的協(xié)同設(shè)計。軟硬件協(xié)同設(shè)計的技術(shù)性很強(qiáng)，它既有SoC設(shè)計的靈活性，又有SoC設(shè)計中難以揣摩、充滿變數(shù)的復(fù)雜性，將涉及到硬件資源的規(guī)劃和整個系統(tǒng)性能的實現(xiàn)。
(5)系統(tǒng)集成設(shè)計 
    系統(tǒng)集成設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，主要是IP核的無縫連接系統(tǒng)設(shè)計和相關(guān)的可測試技術(shù)，包括緊密耦合、傳輸特性、時鐘綜合和測試接口等。
(6)低功耗管理設(shè)計 
    低功耗設(shè)計是對有相關(guān)要求的器件進(jìn)行的一種設(shè)計技術(shù)，設(shè)計中主要通過一些系統(tǒng)狀態(tài)、橋接控制等來實現(xiàn)。

3 基于SoC的IPSec實現(xiàn)技術(shù)
3.1 基本結(jié)構(gòu) 
    以SoC實現(xiàn)IPSec的多協(xié)議模塊包括：①IPSec協(xié)議輸入、輸出引擎，是通過協(xié)議解析，決定數(shù)據(jù)流程的處理；②安全關(guān)聯(lián)、密鑰交換、密碼算法等，其中，安全關(guān)聯(lián)模塊為其直接提供所需參數(shù)，密鑰交換模塊用于IKE自動管理的SAD，算法模塊是實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)加解密和認(rèn)證的基本模塊；③接口模塊，是IPSec與IPV4/IPv6協(xié)議的接口界面。SoC中的CPU核，實施系統(tǒng)管理、策略管理和密鑰管理等功能。 
基于SoC的IPSec協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3所示。 

    IPSec的主體部分是多協(xié)議處理的硬件模塊。在SoC設(shè)計過程中，應(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計，以滿足IPSec的功能和性能要求；采用片上操作系統(tǒng)，以滿足設(shè)計的靈活性、可繼承性和可復(fù)用性等IP特性；結(jié)合CPU的結(jié)構(gòu)、性能和指令系統(tǒng)，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)設(shè)計，以達(dá)到各個模塊之間的通信、傳輸和控制等一體化設(shè)計。 
基于SoC的IPSec芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示。 

    圖4中IPSec協(xié)議的IKE密鑰交換、策略管理、SAD手工注入由實時操作系統(tǒng)來處理，而IPSec輸入輸出引擎的協(xié)議解析、安全策略庫(SAD、SPD)、密鑰快速查找(CAM)、加解密算法、GMAC通信接口等由硬件模塊構(gòu)造。通信接口實現(xiàn)以太網(wǎng)鏈路幀的接收、發(fā)送、校驗等功能。芯片中還應(yīng)設(shè)計看門狗，用于防止系統(tǒng)死機(jī)；另外，要設(shè)計跟蹤模塊，用于系統(tǒng)軟硬件調(diào)試。 
綜上所述，在實現(xiàn)IPSec協(xié)議的SoC芯片中，主要協(xié)議棧處理都由硬件模塊實現(xiàn)，CPu負(fù)責(zé)管理調(diào)度和密鑰配置。
3.2 功能實現(xiàn)
(1)lPSec協(xié)議的輸出與輸入引擎處理 
    對于輸出數(shù)據(jù)包，IPSec協(xié)議輸出引擎先調(diào)用策略管理模塊，查詢SPD，確定數(shù)據(jù)包應(yīng)使用的安全策略。根據(jù)策略管理模塊的指示，協(xié)議引擎對該數(shù)據(jù)包作出如下3種可能的處理： 
    ①如存在有效的SA，則取出相應(yīng)的參數(shù)，將數(shù)據(jù)包封裝(包括加密、驗證，添加IPSec頭和IP頭等)，然后發(fā)送。 
    ②如尚未建立SA，策略管理模塊啟動或觸發(fā)IKE協(xié)商。協(xié)商成功后，按①中的步驟處理；不成功則應(yīng)將數(shù)據(jù)包丟棄，并記錄出錯信息。 
    ③如存在SA但無效，策略管理模塊將此信息向IKE通告，請求協(xié)商新的SA，協(xié)商成功后按①中的步驟處理，不成功則應(yīng)將數(shù)據(jù)包丟棄。 
    對于輸入數(shù)據(jù)包，IPSec協(xié)議引擎先調(diào)用策略管理模塊，查詢SAD。如得到有效的SA，則對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封(還原)，再查詢SPD，驗證為該數(shù)據(jù)包提供的安全保護(hù)是否與策略配置的相符。如相符，則將還原后的數(shù)據(jù)包交給TCP層或轉(zhuǎn)發(fā)。如不相符，或要求應(yīng)用IPSec但未建立SA，或SA無效，則將數(shù)據(jù)包丟棄，并記錄出錯信息。
(2)SPDB和SADB實現(xiàn)技術(shù) 
    IPSec協(xié)議處理數(shù)據(jù)報文的過程中需要通過不斷地查詢SADB和SPDB來驗證數(shù)據(jù)的合法性和取出密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)報的加解密處理，因此，對IPSec處理性能而言，如何選擇保存SADB和SPDB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。另外由于SA和SP的數(shù)量都是動態(tài)地變化的，必須選擇合適的存儲結(jié)構(gòu)。如用軟件方法設(shè)計一個合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，在系統(tǒng)的SADB和SPDB規(guī)模比較小時SA和SP的查詢速度還可以接受，但隨著SADB和sPDB規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)的查詢能力必然下降。因為在查詢中最好的情況是一次命中，而大多數(shù)情況下都不會是一次命中，查詢的效率必然下降，從而影響IPSec協(xié)議的處理。要從根本上解決查詢效率的問題必須分析SADB和SPDB的設(shè)計要求，才能找到解決方法。
    SPDB和SADB的設(shè)計基于每一個SA對應(yīng)一條SPD。SA和SPD在各數(shù)據(jù)庫中具有相同的地址。利用指針互指，只要在其中一個數(shù)據(jù)庫查找到匹配的字段，就能同時得到兩個數(shù)據(jù)庫的地址指針。因此，SPDB和SADB的設(shè)計應(yīng)該滿足下列要求： 
    ①對于該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠有效地進(jìn)行查詢，得到確切的或者基于選擇符的匹配結(jié)果，包括源地址、目的地址、協(xié)議和SPI。 
    ②能夠為選擇符保存通配、范圍或確切的值。 
    ③隱藏指向SADB和SPDB的指針，保證兩個結(jié)構(gòu)間的同步。 
    ④對SA/SP條目進(jìn)行排序保存，以便匹配查找一直能快速完成。 
    采用硬件設(shè)計技術(shù)通常是提高協(xié)議處理速度的好方法。其中，CAM(Content_Addressable Memory)是按內(nèi)容尋址存儲器，是由控制和匹配兩大部分組成的。通過控制部分，可以把需要寫進(jìn)CAM中的數(shù)據(jù)通過SPDB和SADB管理模塊寫進(jìn)CAM中，供查找時使用。在匹配口可以輸入數(shù)據(jù)，找出該匹配數(shù)據(jù)所在地址并返回。在實際設(shè)計中，SADB或SPDB數(shù)據(jù)庫內(nèi)容連續(xù)存儲在RAM空間中。CAM中寫入需要查找的匹配輸入項<SPI，目標(biāo)地址，協(xié)議>三元組等，匹配輸出是32位作為查詢SADB和SPDB在RAM中的地址，這種匹配方法一次查詢只需幾個時鐘周期即可完成。在SADB和SPDB規(guī)模很大時系統(tǒng)的查詢速度不會降低。目前CAM的匹配速度很快，查找速度可以達(dá)到1億次/s，而在一個1000Mb/s的網(wǎng)絡(luò)口上每秒連續(xù)傳最大包的個數(shù)為1000×1024×1024/(8×96)=1 365 330，完全滿足系統(tǒng)查找的需要。匹配成功即可查找出對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中起始地址，大大節(jié)省了查表的時間，提高IPSec處理的效率。
(3)密碼算法的實現(xiàn) 
    在IPSec實現(xiàn)過程中涉及了一系列的密碼運算，其中包括實現(xiàn)AH和ESP的加密算法和認(rèn)證算法，實現(xiàn)IKE所需要的密鑰交換算法以及密鑰生成算法。為獲得較高的密碼運算效率，可以采用流水線技術(shù)設(shè)計專門的密碼運算協(xié)處理器；設(shè)計硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，為密碼設(shè)備產(chǎn)生消息密鑰；設(shè)計密鑰安全控制器，以保護(hù)密鑰安全。
(4)其余功能的實現(xiàn) 
IKE密鑰交換、策略管理、SAD手工注入和硬件初始化(如SPD和SAD的管理)等由實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。

結(jié)語 
    本文介紹了基于Soc的IPSec協(xié)議實現(xiàn)技術(shù)，適用于千兆位VPN設(shè)備等高端應(yīng)用。至于速度要求不高的低端應(yīng)用，SoC中可以由CPU實現(xiàn)協(xié)議處理，而密碼算法由硬件實現(xiàn)，以降低硬件規(guī)模和設(shè)計成本，使設(shè)備獲得較高的性價比?？傊許oC構(gòu)筑安全平臺，是提高安全產(chǎn)品安全性、可靠性和時效性的有效途徑。 
    研發(fā)基于自主知識產(chǎn)權(quán)的、基于SoC的安全產(chǎn)品，可以充分利用SoC中CPU效率高、硬件可編程能力強(qiáng)，以及芯片規(guī)模大、速度快的特點，極大地提高安全產(chǎn)品的性能。該技術(shù)不僅對信息安全產(chǎn)品具有重要的實用價值，而且對密碼工程技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)意義。