1 前言
針對Internet 的安全需要，為了給IPV4 和IPV6 數(shù)據(jù)報提供高質(zhì)量的、可互操作的、基于密碼學(xué)的安全性，Internet 工程任務(wù)組(IETF)頒布了IP 層安全標(biāo)準(zhǔn)IPSec。IPSec 在IP 層對數(shù)據(jù)包進行高強度的安全處理，提供包括訪問控制、無連接的完整性、數(shù)據(jù)源認證、抗重播(replay)保護（序列完整性(sequence integrity)的一個組成部分）、保密性和有限傳輸流保密性在內(nèi)的服務(wù)。這些服務(wù)是基于IP 層的，提供對IP 及其上層協(xié)議的保護。
對于IPSec 數(shù)據(jù)流處理而言，有兩個必要的數(shù)據(jù)庫：安全策略數(shù)據(jù)庫（SPD） 和安全關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫（SAD）。SPD 指定了用于到達或者源自特定主機或網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流的策略，而SAD 則包含了活動的SA 參數(shù)。在啟動IPSec 保護的源和目的之間，都需要設(shè)置單獨的輸入和輸出SPD 和SAD 。
經(jīng)受IPSec 保護的節(jié)點的通信流，無論是輸入還是輸出都必須查詢SPD。SPD 包含一個策略條目的有序列表，每個條目里又包含多個選擇符，輸入輸出數(shù)據(jù)流就是通過和這些選擇符比較來決定是否進行安全保護。IPSec 允許的選擇符有目的IP 地址，源IP 地址，傳輸層協(xié)議，系統(tǒng)名和用戶ID。目的和源IP 地址可以是一個主機地址，廣播地址，單播地址，任意播地址，地址范圍，地址加子網(wǎng)掩碼或者通配地址；系統(tǒng)名和用戶ID 可以是完整的DNS 名或E-mail 地址。SPD 中的條目決定了處理通信流的粒度，策略可能規(guī)定與某特定的SA 或SA 束對應(yīng)的IPSec 服務(wù)應(yīng)該應(yīng)用到任何源自任何源或者去往任何目的地的所有通信流，策略也可能規(guī)定應(yīng)該基于特定的選擇符來決定不同SA 或SA 束的應(yīng)用?？傊琒PD 在控制通過一個IPSec 系統(tǒng)的所有通信中發(fā)揮著非常重要的作用。為了在保證安全強度的前提下，提高IPSec 保護節(jié)點上的流處理速度，本文提出了一種采用硬件IDT75K62100 芯片實現(xiàn)快速的SPD 與SAD 數(shù)據(jù)庫的思想。
2 SPD 與SAD 硬件結(jié)構(gòu)
安全模塊的設(shè)計初衷就是為了在IPV6 路由器中對特定的數(shù)據(jù)流實現(xiàn)高速的IPSec 安全保護，這就使得SPD 和SAD 的高速查找成為一個很關(guān)鍵的問題，因為對每一個包進行IPSec 處理時，都必須查找SPD 和SAD 以獲取相應(yīng)的處理策略，如果查找速度慢的話，將達不到高速的性能要求。數(shù)據(jù)庫可以用軟件來組織，也可以依托硬件來實現(xiàn)，為了提高查找速度，我們使用硬件來做數(shù)據(jù)庫。目前支持高速查找的硬件主要有兩種：基于邏輯算法設(shè)計的SRAM 技術(shù)和基于半導(dǎo)體器件設(shè)計的CAM（Content Addressable Memory， 內(nèi)容尋址寄存器）技術(shù)。常用的隨機存儲器通過輸入地址來返回該地址所對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，而CAM 只需要輸入關(guān)鍵字的內(nèi)容就會將此關(guān)鍵字與CAM 中所有表項同時進行比較，最后返回匹配表項在CAM 中對應(yīng)的地址信息。CAM 可以在一個硬件時鐘周期內(nèi)完成關(guān)鍵字的精確匹配查找，目前速度可達到266Mpps 。
CAM 雖然有很多優(yōu)勢，但在本模塊中如果都采用CAM 來作為數(shù)據(jù)庫，則一方面代價太高，因為輸入處理和輸出處理各需要兩個數(shù)據(jù)庫（SPD和SAD）， 這樣一共需要四個CAM，而CAM 價格較為昂貴；另一方面將SPD 和SAD 分別設(shè)在兩塊CAM 中，這樣每處理一包需要進行兩次查找，影響了速度。為此，我們特別研究了一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速查找的數(shù)據(jù)庫硬件結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)采用CAM 和SRAM 相結(jié)合的方式。這種結(jié)構(gòu)一方面在一定程度上降低了成本，另一方面解決了二次查找的問題。
這種硬件結(jié)構(gòu)的組成原理是將SPD 設(shè)置在CAM 中，而將SAD 設(shè)置在SRAM 中，然后將CAM 和SRAM 級聯(lián)。這樣，在進行IPSec 處理時，先在CAM 中查SP，如果沒有找到相應(yīng)的SP， 則查找結(jié)束；如果查到了相應(yīng)的SP，則由CAM 將對應(yīng)的SA 在SRAM 中的存放地址送給SRAM， 然后從SRAM 中對應(yīng)地址將SA 取出送FPGA， 這樣避免了再由FPGA 對SAD 進行查詢。這種數(shù)據(jù)庫的查找方法還引入了流水機制，即CAM 查到了前一報文的SP 后，將匹配地址送給SRAM，在SRAM 讀該地址對應(yīng)的SA 的同時，CAM 可進行對下一報文的SP 的查找。該查找方法中，CAM 與SRAM 的連接如圖一所示。
圖 1 ：CAM 與SRAM 連接圖
3 75K62100 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 實際設(shè)計中，CAM 選用IDT 公司的75K62100 ，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)與主要外部總線如圖二所示。從圖中可以看出，該型號CAM 內(nèi)部主要由配置電路，指令譯碼，輸入輸出數(shù)據(jù)緩存，比較寄存器和數(shù)據(jù)存儲區(qū)等單元組成，外部總線有指令總線，數(shù)據(jù)總線和索引總線，另外還包括一條匹配標(biāo)志信號線。該CAM 的數(shù)據(jù)存儲區(qū)的容量為18M， 經(jīng)過配置電路配置，可以工作在256k×72bit （表項深度為256K， 寬度為72bit）、128K×144bit 、72K×288bit 等模式下。指令總線寬20 位，配置指令，讀寫指令從該總線輸入。數(shù)據(jù)總線寬72 位， 輸入數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)輸入輸出緩存區(qū)，在內(nèi)部地址譯碼控制下，再將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)存儲區(qū)或比較寄存器。比較后得到匹配項的地址由24 位索引總線送出，數(shù)據(jù)經(jīng)輸入輸出緩存器從數(shù)據(jù)總線輸出，并由匹配標(biāo)志信號線給出匹配狀態(tài)。
圖 2 ：IDT75K62100 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)與外部總線示意圖
SRAM 選用IDT 公司的71V65603 ，該款SRAM 工作頻率為100M-150MHZ ，支持ZBT 技術(shù)，容量為256KX36bit 。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及主要外部總線如圖三所示。
圖 3 ：IDT71V65603 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)與外部總線示意圖
查找時，先從包頭中提取出查表關(guān)鍵字送CAM 查SP，若查到了SP，則將此SP 對應(yīng)的SA 的地址通過CAM 索引總線送給SRAM 并將匹配標(biāo)志送IPSec 處理單元，SRAM 根據(jù)送來的地址將對應(yīng)的SA 通過數(shù)據(jù)總線寫入IPSec 處理單元。每查到一條SA，則需要對SAD 中的該SA 條目進行更新，因為SA 中包括序列號和SA 生存期等需要及時更新的字段。更新過程和查找過程基本一致，先從CAM 中找到對應(yīng)的SP 條目，得到該SA 的存放地址，然后將修改后的SA 寫入該地址或?qū)⒃璖A 刪除。
4 SPD 和SAD 數(shù)據(jù)格式設(shè)置
一個好的IPSec 協(xié)議實現(xiàn)方案，一定程度上取決于SPD 和SAD 條目的合理的設(shè)置，因為合理的SPD 和SAD 條目設(shè)置可以使IPSec 處理即不復(fù)雜，又達到了預(yù)期的安全保護的要求。
根據(jù)實際需要，本安全模塊的SPD 中每個條目設(shè)置源IP 地址，目的IP 地址，傳輸層協(xié)議三個選項。需要注意的是，源IP 地址和目的IP 地址項完全沒必要設(shè)為128 位的， 只需要儲存各自地址的高64 位即可，因為在128 位的IPV6 地址中，高64 位是所屬網(wǎng)絡(luò)地址，由于是在路由器上實現(xiàn)IPSec 保護，故在進行策略查找時，只需要檢查數(shù)據(jù)包中的源和目的的網(wǎng)絡(luò)地址是否與策略庫中的網(wǎng)絡(luò)地址相匹配即可。傳輸層協(xié)議選項為8 位寬，對于輸出處理單元，只對TCP 和UDP 進行安全保護，故該選項的十進制值應(yīng)為6（TCP）或17（UDP）
； 對于輸入處理單元，只對ESP 進行處理，故該選項的十進制值應(yīng)為50。由此看來，SPD 的表項寬度應(yīng)在136 位以上。
對于輸出包處理的SAD，每個SA 條目包括SPI 字段，序列號計數(shù)器字段，序列號溢出字段，密鑰字段和SA 生存期字段。其中，SPI 字段為32 位寬， 取值范圍為256—232-1，我們規(guī)定，若SPI 為全1，則表示SA 尚未建立，需要進行協(xié)商；若SPI 為其它有效值，則根據(jù)對應(yīng)的SA 進行安全處理。序列號計數(shù)器字段為32 位寬，為所處理的數(shù)據(jù)包提供一個唯一的編號用來抗重放。序列號溢出字段為1 位寬，當(dāng)該位為‘1’時，表示需要對序列號字段進行溢出檢查；為‘0’表示不需進行溢出檢查。密鑰字段128 位，存放3DES 算法的密鑰。SA 生存期字段16 位寬， 值為預(yù)先約定的該SA 所處理的數(shù)據(jù)包的個數(shù)，每處理一包該值減一，為0 時該SA 過期， 重新協(xié)商。綜上所述，輸出包處理的SAD1 每個表項寬度應(yīng)在209 位。
對于輸入包處理的SAD2，每個條目包括SPI 字段，抗重放窗口字段，密鑰字段和SA 生存期字段?？怪胤糯翱谧侄?2 位寬， 用來存放該SA 所接收到的驗證有效的最大序列號， 接收到的包的序列號如果小于該值將被丟棄。其它字段的設(shè)置與輸出包處理單元對應(yīng)字段相同，不再重復(fù)。綜上所述，輸入包處理的SAD 每個表項寬度為208 位。
需要說明的是，以上設(shè)置是根據(jù)本安全模塊實際設(shè)計的需要設(shè)置的，在IPSec 協(xié)議中建議的一些選項在本設(shè)計中省略了。例如，SPD 中的SPI 選項被省略，因為本設(shè)計中SPD 和SAD 是同時查找的，故可以將SPD 中的SPI 項省略。另外本安全模塊默認使用隧道模式，密碼算法為3DES，不進行認證，故SAD 中的相關(guān)選項被省略。
在設(shè)計中，SPD1 和SPD2 所用CAM 都設(shè)置為128KX144bit 模式，數(shù)據(jù)存儲格式如圖4－1 所示。SAD1 和SAD2 均由SRAM 組成，其存儲空間為256KX36bit，這樣SAD1 和SAD2 中一條SA 條目需要占用6 個存儲單元。數(shù)據(jù)存儲格式如圖4－2 所示。
圖 4－2：SAD1 和SAD2 數(shù)據(jù)格式
5 創(chuàng)新點總結(jié)本文的創(chuàng)新點在于提出并實現(xiàn)了一種用硬件IDT75K62100 芯片實現(xiàn)快速的SPD 與SAD 數(shù)據(jù)庫的思想。目前的SPD 和SAD 往往用軟件的方式來實現(xiàn)，但這極大地限制了IPSEC 處理數(shù)據(jù)流的速度，本文提出的這種思想，經(jīng)過實現(xiàn)與測試，對提高IPSEC 保護節(jié)點提高數(shù)據(jù)流的處理速度有很大的幫助。
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