如何通过嵌入式IP核加速互联网协议安全

与具有单个详细标准文档的MACsec相比，IPSec规范是一套相当令人困惑的RFC标准文档，具有一系列加密标准和连接选项。我正在考虑的是使用AES-GCM加密和身份验证（RFC4106）的隧道模式（IP封装安全协议RFC4303）。

尽管 IPsec 与 MACsec 共享许多加密功能，但仍存在一些重要差异。IPsec被称为使用互联网协议的端到端解决方案，因为中间路由器无法解密和查看数据包内部。此外，与 MACsec 不同，IPsec 中的传输通道通常具有多个安全通道，并将使用不同的密钥与不同的目标进行通信。

在会话开始时，软件与远端设备建立相互身份验证，并协商会话持续时间内将使用哪些加密密钥。建立连接后，加密消息将原封不动地通过网络，直到到达目的地。整个 IP 数据包由原始设备加密和身份验证，并添加新的 IP 报头以将数据包路由到其目标。系统在隧道模式下作为第 3 层连接工作，以创建用于网络到网络通信的虚拟专用网络 （VPN）。

嵌入式内核形式的硬件加速IPsec将比用于加密的软件解决方案快得多。硬件解决方案在处理来自许多客户端的 IPsec 连接的服务器或网关中可能很有意义。为了获得最大的安全性，加密使用带有128位或256位密钥的AES-GCM，并通过对整个数据包进行身份验证来补充。

现在，让我们考虑使用嵌入式IP核提供安全系统的一些不同方面。一个常见的问题与认证有关。NIST管理加密算法验证程序（CVAP），根据该计划，许可的测试实验室检查AES实现对实验室生成的测试向量集的响应。如果它们是正确的，测试实验室会将实现详细信息添加到 NIST 网站上的 AES 验证列表中。所有 AES 模式都有具有相应 NIST 标准（SP800-38A 至 SP800-38E）的测试程序。IP核也可以在此计划下进行验证。

CAVP 下的算法验证不应与 FIPS140-2 或 FIPS140-3 下的加密模块认证相混淆，尽管使用经过验证的算法实现是 FIPS140 认证的要求。不同之处在于，FIPS140是关于整个系统的，并考虑了许多方面，例如与IP核无关的物理安全性（例如，防篡改硬件）。如果您计划将加密模块提交给 FIPS 认证，则通常由您选择的 NIST 批准的测试实验室指导您完成整个过程，并且 IP 核供应商将根据需要与测试实验室合作，以提供任何必要的产品详细信息并支持算法验证。

这就引出了支持问题。供应商提供的支持对成功至关重要。如果您是罕见的加密专家之一，那么也许这并不重要。但对于我们其他人来说，密码学是一种我们没有时间获得的专业技能。我提到过，选择错误的AES模式可能会使解决方案容易受到攻击，但是还有很多其他决定需要做出，更复杂的内核可以提供额外的功能。在实施阶段，工程师通常需要核心供应商的帮助，因为核心通常必须挤入已经很严格的FPGA设计中。

设计良好的内核将为设计人员提供权衡资源类型的选择。例如，加密核心中有称为S-Box的关键块。这些可以在块内存或 FPGA 结构中的 LUT 中实现。通过选择混合搭配，设计人员可以将设计压缩到设备中剩余的可用资源中。对于高速设计，时序收敛可能是一个问题。同样，来自核心供应商的帮助可以提供宝贵的帮助。这可能是通过修改流水线结构，或建议将不同的设计属性应用于关键网络。

选择供应商和核心后，还需要进一步考虑。例如，在支付许可费之前，您能否对内核进行评估，以查看其是否符合您的要求？此外，与您可以许可的任何其他IP不同，一些加密核心供应商将提供HDL源代码。这使客户可以证明代码没有包含病毒或特洛伊木马代码，并且不能强制其进入未经授权的状态或操作。

许多安全设备供应商坚持进行安全审计，与审查网表操作相比，使用源代码更容易。即使没有资源可以立即进行审核，如果将来出现任何问题，也可以放心地将源代码用于检查。审核结果向最终用户保证，他们可以毫无顾虑地部署带有嵌入式IP核的设备，并且可以成为设备供应商的重要差异化因素。

源代码还加快了设计过程和文档编制速度。该设计得到了增强，因为工程师可以试验数据路径宽度等变量，通过实现更宽的数据路径来提供高吞吐量。或者，可以通过选择较窄的数据宽度来配置内核以实现最小的 FPGA 占位面积。相比之下，这些参数在交付之前被“硬编码”到网表中，用户没有改变设计的选择。

审核编辑：郭婷