MACsec綜合FPGA的IP內(nèi)核提升數(shù)據(jù)中心安全性

數(shù)據(jù)中心設(shè)備設(shè)計(jì)人員將結(jié)合采用基于FPGA的內(nèi)核來(lái)提供安全的高性能以太網(wǎng)鏈路。

云存儲(chǔ)和IT 服務(wù)外包對(duì)IT 經(jīng)理而言極富吸引力，因?yàn)檫@不僅能降低成本，而且還可減輕支持工作。然而有一個(gè)大的顧慮就是，這樣做會(huì)使敏感數(shù)據(jù)流出公司防火墻外，造成安全隱患。這種顧慮是完全可以理解的，因?yàn)?a target="_blank">信息對(duì)于許多公司而言是最寶貴的資產(chǎn)，無(wú)論是會(huì)計(jì)、客戶還是制造相關(guān)的數(shù)據(jù)。

而現(xiàn)在，設(shè)備制造商能夠通過(guò)使用賽靈思基于FPGA 的解決方案來(lái)提高性能和安全水平。滿足以太網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)MACsec 要求的Algotronix 綜合安全子系統(tǒng)采用基于賽靈思FPGA 的高性能、低時(shí)延、高能效IP 核。

基于FPGA 的解決方案比基于軟件的解決方案速度要快得多。此外，專用硬件可接管系統(tǒng)處理器，使其處理其它任務(wù)，如深度數(shù)據(jù)包檢查等?；蛘撸O(shè)計(jì)人員也可采用成本更低的處理器。

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加密和認(rèn)證

保護(hù)信息的一個(gè)顯著策略就是當(dāng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和在數(shù)據(jù)中心周圍移動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行加密。一旦數(shù)據(jù)被非授權(quán)方滲透網(wǎng)絡(luò)鏈路而攔截，數(shù)據(jù)加密能夠確保其無(wú)法被讀取。原則上，數(shù)據(jù)還應(yīng)經(jīng)過(guò)認(rèn)證，從而確保其完整性。消息認(rèn)證旨在檢測(cè)原始加密數(shù)據(jù)是否已被篡改，包括因傳輸錯(cuò)誤而造成變更，抑或是被攻擊者為從中牟利而惡意破壞。

目前以太網(wǎng)傳輸已成為主流通信方式，這是一種既高效又具有可擴(kuò)展性的高速傳輸方法。隨著以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的普及，以太網(wǎng)傳輸成本不斷降低，這一優(yōu)勢(shì)使其更加引人注目，進(jìn)而確保以太網(wǎng)繼續(xù)成為首選的L2 技術(shù)。不過(guò)，就在幾年以前，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有任何加密規(guī)范要求，只能采用運(yùn)行在通信協(xié)議棧上層的IPsec 等技術(shù)來(lái)完成加密工作。

現(xiàn)在，根據(jù)IEEE 802.1AE 標(biāo)準(zhǔn)，最新以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展版本新增了大量安全措施。該技術(shù)在幾年前正式確定，其采用集成式安全系統(tǒng)來(lái)加密并認(rèn)證消息，同時(shí)檢測(cè)并應(yīng)對(duì)一系列網(wǎng)絡(luò)攻擊。該標(biāo)準(zhǔn)被稱為“媒體接入控制安全（Media Access Control Security）”標(biāo)準(zhǔn)，常常簡(jiǎn)稱為“MACsec”。Algotronix 從幾年前就開(kāi)始努力推出能夠根據(jù)多種不同數(shù)據(jù)速率要求提供硬件加速加密功能的IP 核。

（Algotronix 還可提供面向IPsec的IP 核，該產(chǎn)品與MACsec 產(chǎn)品的接口類似，對(duì)需要支持雙重標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)而言是不錯(cuò)的選擇。）

簡(jiǎn)要介紹MACsec 系統(tǒng)，幫助了解規(guī)范的全面性，同時(shí)深入說(shuō)明實(shí)現(xiàn)該規(guī)范的復(fù)雜程度。

信任實(shí)體
MACsec 指的是由網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)組成的一系列信任實(shí)體。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接收加密消息和明文消息，而系統(tǒng)策略則用于明確如何處理每條消息。內(nèi)核包括明文消息的旁通選項(xiàng)，無(wú)需認(rèn)證或驗(yàn)證。與IPsec 等作為端到端技術(shù)運(yùn)行在L3/L4 的協(xié)議不同，只要數(shù)據(jù)包進(jìn)入或離開(kāi)以太網(wǎng)LAN，MACsec就能對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密和驗(yàn)證。

MACsec 適用于星型或總線型LAN 等以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。

M A C s e c 標(biāo)準(zhǔn)采用安全實(shí)體（SecY）方法，也就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)或?qū)嶓w都具備與其以太網(wǎng)源地址相鏈接的唯一密鑰。為支持多個(gè)虛擬SecY，我們?cè)O(shè)計(jì)出了該IP 核的1G 版本。因此，單個(gè)以太網(wǎng)MAC 能針對(duì)多用戶LAN 等應(yīng)用配備多個(gè)與之關(guān)聯(lián)的MACsec SecY。MACsec 通常與IEEE 801.1X-2010 或互聯(lián)網(wǎng)密鑰交換（IKE）配合使用，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)周圍的安全密鑰分配。

數(shù)據(jù)中心之所以會(huì)選擇L2 連接功能在數(shù)據(jù)中心內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)包，是為了提高速度，并最大程度地降低時(shí)延和減少數(shù)據(jù)包中的開(kāi)銷數(shù)據(jù)。相比之下，如果用諸如IPsec 等安全的L3 技術(shù)進(jìn)行通信，消息必須傳到協(xié)議上層進(jìn)行處理，而這會(huì)增加時(shí)延。

此外，L2 解決方案也能避免創(chuàng)建L3 安全策略這一復(fù)雜工作。

數(shù)據(jù)中心能夠采用MACsec 提供防火墻后臺(tái)的保護(hù)，或?qū)⑵溆迷跀?shù)據(jù)中心之間的直接鏈路上。系統(tǒng)管理員可授權(quán)設(shè)備以安全方式進(jìn)行通信。設(shè)備能夠檢測(cè)錯(cuò)誤或誤用情況，如拒絕服務(wù)攻擊（DOS）。

符合可編程要求
市場(chǎng)因需求不同，日趨細(xì)分化?？啥ㄖ艶PGA 解決方案理想適合于MACsec。起初，MACsec 的設(shè)計(jì)是作為一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于城域網(wǎng)，而現(xiàn)在在數(shù)據(jù)中心中也找到了其用武之地，這就提高了對(duì)基于FPGA 的解決方案的整體需求。

Algotronix 開(kāi)發(fā)MACsec 內(nèi)核是一個(gè)自然演進(jìn)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)打造了一系列稱為“AES-GCM”的加密引擎。這些內(nèi)核的運(yùn)行速率分別為1G、10G 和40G。我們通過(guò)流水線、提高時(shí)鐘速率并從賽靈思Artix?器件逐步發(fā)展到Kintex? 器件乃至Virtex? FPGA，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述速率的。我們將利用這些技術(shù)來(lái)推動(dòng)VirtexUltraScale ?器件上的吞吐量，使其達(dá)到100G。

我們使用FPGA 中的IP 核能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同性能，可支持從1GbE到10 GbE 的不同速率（即，內(nèi)核在最壞情況下的實(shí)際吞吐量）。此外我們還計(jì)劃推出40G 和100G 的版本。這比基于軟件的系統(tǒng)要快得多。內(nèi)核通常直連接到硬件MAC（如圖1 所示），因?yàn)镕PGA 芯片上的嵌入式存儲(chǔ)器的軟件會(huì)盡可能足夠快地傳輸數(shù)據(jù)，以滿足其吞吐量要求。如果在硬件上實(shí)現(xiàn)安全功能，同時(shí)從未向軟件提供未加密密鑰，那么系統(tǒng)就不那么容易受到特洛伊木馬（Trojan horse）和病毒等常見(jiàn)軟件攻擊。

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圖1 – 整個(gè)MACsec IP核位于FPGA內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)最大安全性。

另一個(gè)重要考慮事項(xiàng)就是FPGA進(jìn)行算法加速的系統(tǒng)要大幅降低功耗。加速的算法包括加密函數(shù)等，免得再用軟件去實(shí)現(xiàn)加速。FPGA 比軟件解決方案的能效明顯要高得多。

所有Algotronix 加密內(nèi)核都內(nèi)置了一項(xiàng)重要屬性，那就是能夠在Block RAM 或FPGA 架構(gòu)的查找表（LUT）中實(shí)現(xiàn)稱為“S-Boxes”的關(guān)鍵模塊。有了該屬性，客戶可通過(guò)綜合平衡兩種資源類型便能利用現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。比方說(shuō)，如果MACsec 內(nèi)核外的設(shè)計(jì)未占用大量的BRAM，那么就可用Block RAM 來(lái)實(shí)現(xiàn)S-Boxes，否則就用LUT 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這樣就算IT專業(yè)人士必須考慮系統(tǒng)的整個(gè)軟件層面的情況時(shí)，也能更方便地分析系統(tǒng)漏洞。

MACSEC細(xì)節(jié)

MACsec 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是：每個(gè)數(shù)據(jù)源使用不同的加密密鑰。接收到消息后，接收器會(huì)在片上CAM 的列表中進(jìn)行查找，明確用以解密數(shù)據(jù)包的正確密鑰。每個(gè)數(shù)據(jù)包都有編號(hào)，確保能檢測(cè)并拒絕接收重復(fù)或重新發(fā)送的數(shù)據(jù)包，這種方法可防范“中間人”攻擊。

MACsec 還會(huì)收集有關(guān)被拒收的數(shù)據(jù)包數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及拒絕的原因。提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以支持攻擊檢測(cè)是超出基本加密隱私、認(rèn)證和防止重發(fā)功能之外的更高一層的安全性，能讓系統(tǒng)管理器主動(dòng)應(yīng)對(duì)正在進(jìn)行的攻擊。

我們采取的方法是對(duì)業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的AES-GCM 內(nèi)核周圍的MACsec 邏輯進(jìn)行“打包”。就此而言，設(shè)計(jì)高效快速的加密內(nèi)核只是設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的一部分。MACsec 標(biāo)準(zhǔn)涉及面廣，包括許多變量。

舉例來(lái)說(shuō)，該標(biāo)準(zhǔn)最初只指定128 位的加密密鑰。采用128 位密鑰， 數(shù)據(jù)進(jìn)行10 次轉(zhuǎn)換（ 被稱為“輪”）后在內(nèi)核中完成加密過(guò)程。該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)修訂后可提供256 位加密密鑰，整個(gè)數(shù)字加密過(guò)程歷經(jīng)14 輪。這是通過(guò)添加流水線級(jí)數(shù)并提高密鑰存儲(chǔ)所需的內(nèi)存帶寬才實(shí)現(xiàn)的。

MACsec 與以太網(wǎng)流量類型無(wú)關(guān)，也對(duì)更高層協(xié)議透明。推出這些內(nèi)核后，就能方便地將MACsec 添加到系統(tǒng)中，從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)防護(hù)。配備MACsec 的站點(diǎn)仍能與未采用MACsec 額外安全保障機(jī)制的其它站點(diǎn)進(jìn)行通信。

從媒體接入控制器（MAC）將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包提供給MACsec 內(nèi)核。您可結(jié)合使用1G MACsec 內(nèi)核、片上收發(fā)器和三模以太網(wǎng)MAC（TEMAC）構(gòu)建高效的小型解決方案。每個(gè)數(shù)據(jù)包都包含發(fā)起傳輸?shù)脑创a的目的地和地址。該標(biāo)準(zhǔn)保存在MACsec 系統(tǒng)中，但一個(gè)重要的因素是，在多次反射傳輸中，“源碼”將是傳遞數(shù)據(jù)包的最終設(shè)備的地址。因此，與可被視為端到端方案的IPsec 不同，MACsec是以逐跳方式工作的。對(duì)于每次跳躍，MACsec 都要求輸入端的所有加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后使用分配給傳輸設(shè)備的唯一密鑰再重新加密。解密的明文可在每一級(jí)提供數(shù)據(jù)包檢查功能，如圖2 所示，也能供流量管理器用以管理數(shù)據(jù)流。

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圖2 – 消息在入端口被解密，并在出端口被加密。

在MACsec 標(biāo)準(zhǔn)中，圖3 給出的報(bào)頭包含附加字段“MAC 安全標(biāo)簽（SecTAG）”，其可定義EtherType，并標(biāo)明數(shù)據(jù)包是否加密。數(shù)據(jù)附加在ICV 字段的消息末尾，則表示已經(jīng)認(rèn)證。

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圖3 – MACsec幀結(jié)構(gòu)包括MAC安全標(biāo)簽（SecTAG）字段，其可定義EtherType，并標(biāo)明數(shù)據(jù)包是否加密。