用Altera SoC实现IPSec协议全部功能提高VPN网络安全性

IPSe作为一种实现VPN的安全协议体系，目前已在VPN设备中广泛使用。但是，随着千兆位高速网络的技术发展，对VPN设备在时效性等方面提出了更高的要求。因此，必须从体系结构等方面，研究新的技术方法实现IPSec。在IPSec安全设备中，SoC技术将是一种较好的选择。soC将系统的CPU、I/O接口、存储器、算法、协议处理等模块全部集成到单一半导体芯片上，实现IPSec协议的全部功能，成为构筑IPSec安全设备的核心部件，极大地提高了高速 VPN网络的安全性、可靠性、时效性以及较高的性能价格比。

1 IPSec协议  

IPSec协议是因特网工程任务组(IETF)针对TCP/IP协议没有安全机制的严重缺陷而专门制定的IP安全标准，用以在IP层实现访问控制、无连接完整性、数据源验证、抗重播、数据加密和有限的业务流机密性等多种安全服务。该标准由一系列协议组成，各协议之间的关系如图1所示。  

基金项目：“十五”期间国家密码发展基金密码理论研究课题“密码soc芯片的体系结构和安全性研究”。  

有关协议的解释如下：

①AH (Authentication Header)是一个安全协议头，在传输模式下为IP层数据流提供数据完整性、数据源身份认证、一些可选的和有限的抗重播服务。  

②EsP (Encapsulating Security Payload)是一个插入到IP数据报内部的协议头，为IP层流量数据提供机密性、数据源身份认证、抗重播以及数据完整性等安全服务。  

③认证与加密算法是IPSec实现安全数据传输的核心，其中，加密算法用于ESP，可以采用DES、IDEA等密码算法；认证算法用于AH，可以采用3DES、RC5等算法。
　
④IKE(Internet Key Exchange)是密钥交换协议，用于在IPSec通信双方建立共享安全参数及验证过的密钥，以建立一种安全关联关系。

⑤DoI(Domain of Interpretation)是一个单独的文档，用于存放IKE协商的参数。

⑥SA(Security ASSOCiation)是安全关联协议，是主机、路由器两个应用IPS ec实体之间的一种单向逻辑连接。sA有安全策略库(sPDB)和安全关联库(sADB)，存储了安全策略的具体细节，包括保护的内容、保护的方式、保护通信数据的主体等策略。

2 SoC技术  

目前，SoC平台主要用于CSoC、SoPC、EPGA等芯片开发。其中，CSoC称为可配置系统级芯片，一般包括1个处理器内核、可编程逻辑阵列和其它一些通用部件；SoPC是可编程的单芯片系统，如Altera的Nios内核模块；EPGA是以FPGA为主体的SoC芯片。使用这些SoC开发平台，可以充分利用系统级芯片集成度高和性能优越的特点，灵活设计开发各种专用Soc芯片。

(1)开发平台的选择  

SoC平台开发套件包括：各种工具与资源软件、可以重构的硬件电路结构验证平台和使用说明书等。其可用软件资源包括：供选用的多种嵌入式处理器核，硬件模块设计语言及其编译器，仿真、综合和布局、布线工具等；设计语言包括HDL、C/C++等。开发平台的选择取决于器件的来源：当选用商品化器件时，可以选择Altera的SOPC开发环境QUARTUSII；当选择自主研发Soc时，应使用相关的专用开发平台。

(2)lP库的选择  

IP库的选择应针对器件类型，选择通用的IP核。对安全性要求较高的算法模块，应采取访问控制、抗解剖分析等技术措施；对可变逻辑模块，应采用FPGA，以保证可编程的特点。

(3)芯片结构的选择  

SoC的主体部分由CPU和ASIC组成。在设计过程中，芯片结构的选择应从系统应用规划、协议处理速度要求、便于实现、Vetilog HDL编程实现结构化，以及所用逻辑模块的实际结构等几个角度入手。  

Altera的SoC芯片构成如图2所示。  

(4)软硬件系统设计  

SoC的基本结构是具有一个成多个微处理器，以及可编程硬件逻辑，因此，在SoC设计中必须进行软硬件的协同设计。软硬件协同设计的技术性很强，它既有SoC设计的灵活性，又有SoC设计中难以揣摩、充满变数的复杂性，将涉及到硬件资源的规划和整个系统性能的实现。

(5)系统集成设计  

系统集成设计的关键技术，主要是IP核的无缝连接系统设计和相关的可测试技术，包括紧密耦合、传输特性 、时钟综合和测试接口等。

(6)低功耗管理设计  

低功耗设计是对有相关要求的器件进行的一种设计技术，设计中主要通过一些系统状态、桥接控制等来实现。

3 基于SoC的IPSec实现技术

3.1 基本结构  

以SoC实现IPSec的多协议模块包括：①IPSec协议输入、输出引擎，是通过协议解析，决定数据流程的处理；②安全关联、密钥交换、密码算法等，其中，安全关联模块为其直接提供所需参数，密钥交换模块用于IKE自动管理的SAD，算法模块是实现IP数据加解密和认证的基本模块；③接口模块，是 IPSec与IPV4/IPv6协议的接口界面。SoC中的CPU核，实施系统管理、策略管理和密钥管理等功能。  

基于SoC的IPSec协议结构如图3所示。  

IPSec的主体部分是多协议处理的硬件模块。在SoC设计过程中，应通过优化设计，以满足IPSec的功能和性能要求；采用片上操作系统，以满足设计的灵活性、可继承性和可复用性等IP特性；结合CPU的结构、性能和指令系统，进行软硬件系统设计，以达到各个模块之间的通信 ＞、传输和控制等一体化设计。  

基于SoC的IPSec芯片结构如图4所示。  

图4中IPSec协议的IKE密钥交换、策略管理、SAD手工注入由实时操作系统来处理，而IPSec输入输出引擎的协议解析、安全策略库(SAD、 SPD)、密钥快速查找(CAM)、加解密算法、GMAC通信接口等由硬件模块构造。通信接口实现以太网链路帧的接收、发送、校验等功能。芯片中还应设计看门狗，用于防止系统死机；另外，要设计跟踪模块，用于系统软硬件调试。

综上所述，在实现IPSec协议的SoC芯片中，主要协议栈处理都由硬件模块实现，CPu负责管理调度和密钥配置。

3.2 功能实现

(1)lPSec协议的输出与输入引擎处理  

对于输出数据包，IPSec协议输出引擎先调用策略管理模块，查询SPD，确定数据包应使用的安全策略。根据策略管理模块的指示，协议引擎对该数据包作出如下3种可能的处理：

①如存在有效的SA，则取出相应的参数，将数据包封装(包括加密、验证，添加IPSec头和IP头等)，然后发送。  

②如尚未建立SA，策略管理模块启动或触发IKE协商。协商成功后，按①中的步骤处理；不成功则应将数据包丢弃，并记录出错信息。  

③如存在SA但无效，策略管理模块将此信息向IKE通告，请求协商新的SA，协商成功后按①中的步骤处理，不成功则应将数据包丢弃。  

对于输入数据包，IPSec协议引擎先调用策略管理模块，查询SAD。如得到有效的SA，则对数据包进行解封(还原)，再查询SPD，验证为该数据包提供的安全保护是否与策略配置的相符。如相符，则将还原后的数据包交给TCP层或转发。如不相符，或要求应用IPSec但未建立SA，或SA无效，则将数据包丢弃，并记录出错信息。

(2)SPDB和SADB实现技术  

IPSec协议处理数据报文的过程中需要通过不断地查询SADB和SPDB来验证数据的合法性和取出密钥进行数据报的加解密处理，因此，对IPSec处理性能而言，如何选择保存SADB和SPDB的数据结构至关重要。另外由于SA和SP的数量都是动态地变化的，必须选择合适的存储结构。如用软件方法设计一个合理的数据结构进行存储，在系统的SADB和SPDB规模比较小时SA和SP的查询速度还可以接受，但随着SADB和sPDB规模的扩大，系统的查询能力必然下降。因为在查询中最好的情况是一次命中，而大多数情况下都不会是一次命中，查询的效率必然下降，从而影响IPSec协议的处理。要从根本上解决查询效率的问题必须分析SADB和SPDB的设计要求，才能找到解决方法。

SPDB和SADB的设计基于每一个SA对应一条SPD。SA和SPD在各数据库中具有相同的地址。利用指针互指，只要在其中一个数据库查找到匹配的字段，就能同时得到两个数据库的地址指针。因此，SPDB和SADB的设计应该满足下列要求：  

①对于该数据结构能够有效地进行查询，得到确切的或者基于选择符的匹配结果，包括源地址、目的地址、协议和SPI。

②能够为选择符保存通配、范围或确切的值。

③隐藏指向SADB和SPDB的指针，保证两个结构间的同步。

④对SA/SP条目进行排序保存，以便匹配查找一直能快速完成。  

采用硬件设计技术通常是提高协议处理速度的好方法。其中，CAM(Content_Addressable Memory)是按内容寻址存储 器，是由控制和匹配两大部分组成的。通过控制部分，可以把需要写进CAM中的数据通过SPDB和SADB管理模块写进 CAM中，供查找时使用。在匹配口可以输入数据，找出该匹配数据所在地址并返回。在实际设计中，SADB或SPDB数据库内容连续存储在RAM空间中。 CAM中写入需要查找的匹配输入项三元组等，匹配输出是32位作为查询SADB和SPDB在RAM中的地址，这种匹配方法一次查询只需几个时钟周期即可完成。在SADB和SPDB规模很大时系统的查询速度不会降低。目前CAM的匹配速度很快，查找速度可以达到1亿次/s，而在一个1000Mb/s的网络口上每秒连续传最大包的个数为1000×1024×1024/(8×96)=1 365 330，完全满足系统查找的需要。匹配成功即可查找出对应的数据库中起始地址，大大节省了查表的时间，提高IPSec处理的效率。

(3)密码算法的实现  

在IPSec实现过程中涉及了一系列的密码运算，其中包括实现AH和ESP的加密算法和认证算法，实现IKE所需要的密钥交换算法以及密钥生成算法。为获得较高的密码运算效率，可以采用流水线技术设计专门的密码运算协处理器；设计硬件随机数发生器，为密码设备产生消息密钥；设计密钥安全控制器，以保护密钥安全。

(4)其余功能的实现  

IKE密钥交换、策略管理、SAD手工注入和硬件初始化(如SPD和SAD的管理)等由实时操作系统实现。

结语  

本文介绍了基于SoC的IPSec协议实现技术，适用于千兆位VPN设备等高端应用。至于速度要求不高的低端应用，SoC中可以由CPU实现协议处理，而密码算法由硬件实现，以降低硬件规模和设计成本，使设备获得较高的性价比。总之，以SoC构筑安全平台，是提高安全产品安全性、可靠性和时效性的有效途径。  

研发基于自主知识产权的、基于SoC的安全产品，可以充分利用SoC中CPU效率高、硬件可编程能力强，以及芯片规模大、速度快的特点，极大地提高安全产品的性能。该技术不仅对信息安全产品具有重要的实用价值，而且对密码工程技术具有重要的学术意义。