MACsec IP核大幅提升數(shù)據(jù)中心安全性

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

云存儲和IT服務(wù)外包對IT經(jīng)理而言極富吸引力，因為這不僅能降低成本，而且還可減輕支持工作。然而有一個大的顧慮就是，這樣做會使敏感數(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，因為信息對于許多公司而言是最寶貴的資產(chǎn)，無論是會計、客戶還是制造相關(guān)的數(shù)據(jù)。

而現(xiàn)在，設(shè)備制造商能夠通過使用賽靈思基于FPGA的解決方案來提高性能和安全水平。滿足以太網(wǎng)新標(biāo)準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。或者，設(shè)計人員也可采用成本更低的處理器。

加密和認證

保護信息的一個顯著策略就是當(dāng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和在數(shù)據(jù)中心周圍移動時對其進行加密。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)加密能夠確保其無法被讀取。原則上，數(shù)據(jù)還應(yīng)經(jīng)過認證，從而確保其完整性。消息認證旨在檢測原始加密數(shù)據(jù)是否已被篡改，包括因傳輸錯誤而造成變更，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展性的高速傳輸方法。隨著以太網(wǎng)標(biāo)準的普及，以太網(wǎng)傳輸成本不斷降低，這一優(yōu)勢使其更加引人注目，進而確保以太網(wǎng)繼續(xù)成為首選的L2技術(shù)。不過，就在幾年以前，以太網(wǎng)標(biāo)準還沒有任何加密規(guī)范要求，只能采用運行在通信協(xié)議棧上層的IPsec等技術(shù)來完成加密工作。

現(xiàn)在，根據(jù)IEEE 802.1AE標(biāo)準，最新以太網(wǎng)標(biāo)準擴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)來加密并認證消息，同時檢測并應(yīng)對一系列網(wǎng)絡(luò)攻擊。該標(biāo)準被稱為“媒體接入控制安全(Media Access Control Security)”標(biāo)準，常常簡稱為“MACsec”。Algotronix從幾年前就開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，對需要支持雙重標(biāo)準的系統(tǒng)而言是不錯的選擇。)

簡要介紹MACsec系統(tǒng)，幫助了解規(guī)范的全面性，同時深入說明實現(xiàn)該規(guī)范的復(fù)雜程度。

信任實體

MACsec指的是由網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點組成的一系列信任實體。每個節(jié)點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，無需認證或驗證。與IPsec等作為端到端技術(shù)運行在L3/L4的協(xié)議不同，只要數(shù)據(jù)包進入或離開以太網(wǎng)LAN，MACsec就能對每個數(shù)據(jù)包進行解密和驗證。

MACsec適用于星型或總線型LAN等以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，也可支持點對點系統(tǒng)。

MACsec標(biāo)準采用安全實體(SecY)方法，也就是每個節(jié)點或?qū)嶓w都具備與其以太網(wǎng)源地址相鏈接的唯一密鑰。為支持多個虛擬SecY，我們設(shè)計出了該IP核的1G版本。因此，單個以太網(wǎng)MAC能針對多用戶LAN等應(yīng)用配備多個與之關(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)中心之所以會選擇L2連接功能在數(shù)據(jù)中心內(nèi)移動數(shù)據(jù)包，是為了提高速度，并最大程度地降低時延和減少數(shù)據(jù)包中的開銷數(shù)據(jù)。相比之下，如果用諸如IPsec等安全的L3技術(shù)進行通信，消息必須傳到協(xié)議上層進行處理，而這會增加時延。

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提供防火墻后臺的保護，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)備以安全方式進行通信。設(shè)備能夠檢測錯誤或誤用情況，如拒絕服務(wù)攻擊(DOS)。

符合可編程要求

市場因需求不同，日趨細分化。可定制FPGA解決方案理想適合于MACsec。起初，MACsec的設(shè)計是作為一項技術(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，這就提高了對基于FPGA的解決方案的整體需求。

Algotronix開發(fā)MACsec內(nèi)核是一個自然演進，因為我們已經(jīng)打造了一系列稱為“AES-GCM”的加密引擎。這些內(nèi)核的運行速率分別為1G、10G和40G。我們通過流水線、提高時鐘速率并從賽靈思Artix器件逐步發(fā)展到Kintex器件乃至Virtex FPGA，來實現(xiàn)上述速率的。我們將利用這些技術(shù)來推動Virtex UltraScale™器件上的吞吐量，使其達到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際吞吐量)。此外我們還計劃推出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)，因為FPGA芯片上的嵌入式存儲器的軟件會盡可能足夠快地傳輸數(shù)據(jù)，以滿足其吞吐量要求。如果在硬件上實現(xiàn)安全功能，同時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)和病毒等常見軟件攻擊。

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

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

另一個重要考慮事項就是FPGA進行算法加速的系統(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)置了一項重要屬性，那就是能夠在Block RAM或FPGA架構(gòu)的查找表(LUT)中實現(xiàn)稱為“S-Boxes”的關(guān)鍵模塊。有了該屬性，客戶可通過綜合平衡兩種資源類型便能利用現(xiàn)有資源實現(xiàn)設(shè)計。比方說，如果MACsec內(nèi)核外的設(shè)計未占用大量的BRAM，那么就可用Block RAM來實現(xiàn)S-Boxes，否則就用LUT來實現(xiàn)。

MACSEC細節(jié)

MACsec系統(tǒng)的設(shè)計理念是：每個數(shù)據(jù)源使用不同的加密密鑰。接收到消息后，接收器會在片上CAM的列表中進行查找，明確用以解密數(shù)據(jù)包的正確密鑰。每個數(shù)據(jù)包都有編號，確保能檢測并拒絕接收重復(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還會收集有關(guān)被拒收的數(shù)據(jù)包數(shù)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及拒絕的原因。提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)以支持攻擊檢測是超出基本加密隱私、認證和防止重發(fā)功能之外的更高一層的安全性，能讓系統(tǒng)管理器主動應(yīng)對正在進行的攻擊。

我們采取的方法是對業(yè)經(jīng)驗證的AES-GCM內(nèi)核周圍的MACsec邏輯進行“打包”。就此而言，設(shè)計高效快速的加密內(nèi)核只是設(shè)計挑戰(zhàn)的一部分。MACsec標(biāo)準涉及面廣，包括許多變量。

舉例來說，該標(biāo)準最初只指定128位的加密密鑰。采用128位密鑰，數(shù)據(jù)進行10次轉(zhuǎn)換(被稱為“輪”)后在內(nèi)核中完成加密過程。該標(biāo)準經(jīng)修訂后可提供256位加密密鑰，整個數(shù)字加密過程歷經(jīng)14輪。這是通過添加流水線級數(shù)并提高密鑰存儲所需的內(nèi)存帶寬才實現(xiàn)的。

MACsec與以太網(wǎng)流量類型無關(guān)，也對更高層協(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，從而進一步提高網(wǎng)絡(luò)防護。配備MACsec的站點仍能與未采用MACsec額外安全保障機制的其它站點進行通信。

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)準保存在MACsec系統(tǒng)中，但一個重要的因素是，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。對于每次跳躍，MACsec都要求輸入端的所有加密數(shù)據(jù)進行解密，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。

在MACsec標(biāo)準中，圖3給出的報頭包含附加字段“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)認證。

圖2 – 消息在入端口被解密，并在出端口被加密。

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。

ICV協(xié)同加密密鑰，可認證包括報頭和MACsec標(biāo)簽的幀，進而確保幀的源地址和目的地地址都不會被篡改。我們在FPGA架構(gòu)中實現(xiàn)該邏輯，確保其能夠具備快速的可預(yù)測的時序，從而最大程度地降低時延。

MACsec內(nèi)核包括連接到每個源地址的查找表。該表包含的密鑰必須能夠用來成功解密消息，我們精心設(shè)計該功能，使其能夠高效實現(xiàn)在LUT和器件的Block RAM中。我們充分利用FPGA解決方案的靈活性，采用實現(xiàn)方案選項(如可采用128位或256位密鑰，也可修改內(nèi)核支持的虛擬SecY數(shù)量)來設(shè)計內(nèi)核。

新標(biāo)準的另一個重要特性就是，MACsec可收集數(shù)據(jù)包級的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理員能夠了解有關(guān)信息(如多少數(shù)據(jù)包因為延遲而被拒收，或者因為無效解密密鑰或使用錯誤密鑰而未通過完整性檢查)，并將這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)與正確傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量進行比較。

MACsec標(biāo)準可面向點對點應(yīng)用提供精簡選項。這樣就無需采用CAM從數(shù)據(jù)包中的顯式安全通道標(biāo)識符和單點到多點操作的選擇方案中確定密鑰。我們的內(nèi)核還可支持關(guān)聯(lián)于單個以太網(wǎng)的多個虛擬SecY，這樣，不同的密鑰就能用來加密從MAC傳輸?shù)讲煌康牡氐臄?shù)據(jù)。MACsec標(biāo)準將這種配置定義為多用戶局域網(wǎng)，因為這就像這些目的地位于不同以太網(wǎng)LAN上一樣。該特性使得系統(tǒng)能夠通過使用不同密鑰加密輸出來對接收設(shè)備進行分區(qū)。

數(shù)據(jù)中心可能會采用多個SecY來創(chuàng)建虛擬分區(qū)，這樣客戶A的數(shù)據(jù)就可通過唯一的加密密鑰與客戶B的數(shù)據(jù)劃分開。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通信可根據(jù)需要進行組織來分隔選定的機架，進而提供虛擬隔離區(qū)。這種功能可保護數(shù)據(jù)完整性，并應(yīng)對數(shù)據(jù)中心和云應(yīng)用中的隔離問題。無論是意外錯誤連接還是惡意行為(見圖4)，MACsec系統(tǒng)都能檢測到未經(jīng)認證的數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)管理員可通過設(shè)置策略將其隔離或刪除。

圖4 – MACsec將拒絕通過錯誤連接抵達的數(shù)據(jù)包，無論是因為意外情況造成還是惡意行為導(dǎo)致。

所有數(shù)據(jù)加密和解密都在端口級進行。除了附加的MACsec報頭和較少的額外時延，打開端口級加密不會增加開支，也不會對性能造成其它影響。

通過采用符合IEEE 802.1AE要求的加密Ethernet Lecel 2方案，設(shè)備廠商現(xiàn)在能用這些內(nèi)核推動其系統(tǒng)特色化。基于云的用戶可能與其他用戶相互之間不信任，但他們現(xiàn)在能夠從MACsec提供的數(shù)據(jù)機密大獲裨益，并且數(shù)據(jù)源認證功能可進一步保護他們的數(shù)據(jù)。設(shè)備制造商則能選擇可用的IP核來滿足1Gb和10 Gb以太網(wǎng)吞吐量的需求。

這種架構(gòu)設(shè)計能通過Kintex或Virtex FPGA器件輕松實現(xiàn)10Gbps的速度。在最壞情況下，該設(shè)計只需更改每個數(shù)據(jù)包的密鑰便可支持巨型幀和最小型數(shù)據(jù)包。內(nèi)核符合全面規(guī)范要求，每個MACsec內(nèi)核都能支持各種常用的FPGA產(chǎn)品系列。

配套提供源碼

Algotronix采取了不同尋常的措施，即為所有許可的內(nèi)核提供HDL源碼。這樣做的主要動機是支持客戶檢查，以便確保代碼不含病毒或特洛伊木馬代碼，而且不會強制進入非授權(quán)狀態(tài)或操作。有了源碼，就能降低客戶安全審核的成本和復(fù)雜性。此外，源碼可加速設(shè)計進程，因為工程師能夠方便地嘗試使用諸如加密、解密或加密/解密等不同配置參數(shù)和密鑰長度，并了解其各自仿真內(nèi)核中的信號狀態(tài)。

您可對內(nèi)核進行配置，通過實現(xiàn)較寬的數(shù)據(jù)路徑來提高吞吐量，或通過選擇較窄的數(shù)據(jù)寬度來最大程度地減小FPGA封裝尺寸。擁有源碼還有其它更多優(yōu)勢，包括更便于了解內(nèi)核工作情況;也讓文檔記錄和歸檔變得更快捷方便。

此外，還配套提供了廣泛的驗證測試平臺，可幫助客戶在ModelSim等工具中確認操作是否正確。測試平臺包括MACsec的行為模型和MACsec IP核的自檢版本，能針對行為模型檢查可綜合硬件的輸出。這種自檢設(shè)計可在用戶仿真中實現(xiàn)實例化，便于測試實際用戶設(shè)計環(huán)境下的內(nèi)核表現(xiàn)，并在錯誤驅(qū)動的情況下提供有用的診斷信息。

內(nèi)核可提供許多選項，因此精確的資源數(shù)量將取決于您如何選擇參數(shù)，如數(shù)據(jù)速率、密鑰長度和所選SecY數(shù)量以及其它。然而，賽靈思網(wǎng)站IP部分列出的10G MACsec內(nèi)核采用6,638個slice、20,916個LUT和53個BRAM塊。如需獲取許可證選項，敬請聯(lián)系A(chǔ)lgotronix。

賽靈思低功耗 FPGA與Algotronix MACsec內(nèi)核的完美結(jié)合為設(shè)備制造商實現(xiàn)產(chǎn)品差異化提供了高性能、低時延的解決方案。安全特性使得數(shù)據(jù)中心能夠確保其客戶機密，同時還可幫助安全管理員檢測并打擊惡意行為。