高速密码工程化的若干实践与思考
chanong
|物联网、云计算、大数据等新技术不断发展，使能大规模数据中心、超高速通信、软件等一系列应用场景。随着定义存储的普及，新兴领域对密码学尤其是密码学的兴趣日益增加，对高速和超高速密码学的需求不断增加。我们从系统思维的角度对高速密码技术体系进行分解和分析，将其划分为密码芯片级、密码板级、密码机级、密码平台级等各个层次，并对高速密码技术系统的实现和密码基础设施层面进行分析。细节.做到了.我们将高速密码学的技术理念付诸实践，从系统思维的角度总结和思考高速密码学的后续发展。内容目录：
1、高速密码系统的系统思考与认知
2. 高速密码系统工程实践要点
2.1 密码产品高性能优化的原则和方向
2.2 芯片级加密产品高性能设计要点
2.3 板级加密产品高性能设计要点
2.4 机器级加密产品高性能设计要点
2.5 平台级加密产品高性能设计要点
3. 高速密码技术系统发展的思考
4.结论近年来，《密码法》、《网络安全法》、《数据安全法》等一系列与密码安全评估相关的法律法规相继颁布实施，密码学的发展日本的技术非常出色，它已经成为一种现象。这一新阶段为各行业的信息系统以合规、正确、有效的方式执行密码应用提供了具体指导。在此背景下，物联网、5G、云计算、大数据等新兴技术不断发展，智慧城市、智慧工业、大型数据中心、超高速线路通信等场景不断涌现。预想的，我就是。也正在落实和推广中。密码学对外使用的要求中，计算速度越来越快、复杂度显着增加、通信速度越来越快、协议交互越来越多、存储速度越来越快、数据量越来越大。 规模越来越大，可靠性要求也越来越高。由于此类应用技术的特点，迫切需要发展密码技术，特别是高速和超高速密码技术。对于密码产品来说，这些需求主要围绕实现快速、高性能的密码运算和服务，尽可能匹配业务的高速处理能力，避免因安全而造成过多的性能瓶颈是要做的。
1 快速密码系统中的系统思维与认知系统思维是解决复杂问题和解构难题的有效方法论，并且在过去几十年的不断发展中，系统思维是解决复杂问题和解构难题的有效方法论。帮助解决了很多问题。杰拉尔德·温伯格（Gerald Weinberg）在其经典著作《系统化思维导论》中指出，“系统就是一种世界观”，这为人们研究和建立不同种类的“系统”提供了新的视角。每个系统都具有三个基本属性：功能、元素和连接性。其中，功能性是指系统提供的外部功能，元素是指系统内部的各种组件和实体，连接性是指元素之间的关系，这也最大化了元素的功能，是必不可少的元素。从系统的角度来看，任何向外界提供密码服务的实体，无论简单还是复杂，都是一个完整的系统，反映了对更大的业务应用系统的理解。高速密码技术系统所依赖的实体是高速密码（服务）系统，可以从系统角度进行解释，如表1所示。显示。
表1 高速密码系统的系统概念说明
延续表
2 高速密码系统工程实践要点2.1 密码产品高性能优化的原则和方向根据表1，高速密码系统的设计目的是为各种上层的各种密码服务提供尽可能最好的性能。级系统。它的目的是提供。这些密码服务的提供往往是各个层面密码产品协作的结果。典型的密码系统层次结构如图1 所示。橙色元素表示主要实现加密操作的实体（组件），绿色元素表示主要实现加密通信的实体（组件）。
图1 典型的密码系统层次结构
总体而言，密码系统通常包括四种类型：密码芯片级、密码板级、密码机级、密码平台级。快速密码系统关注的核心功能是密码运算和密码通信。因此，优化高速密码能力，需要重点提升密码运算和密码通信能力，解构这两方面，将度量分解为不同层次的实体。在设计过程中，各级实体遵循两个主要原则：一个原则是最大化密码计算能力，另一个原则是通信和密码计算能力相匹配。密码算力最大化的原则是评估自己的密码资源需求，开发更高的密码计算能力，以达到尽可能高的基础密码算力，是指对逻辑电路或物理组件进行设计或集成通信与密码算力匹配的原则是通过精心选择和设计通信通道规格、优化内部通信协议机制、实现高比例的密码算力输出，实现真正高性能的密码学，指的是对外提供服务。 2.2 芯片级密码产品的高性能设计要点芯片级密码产品通常有专用密码芯片和通用密码芯片两种类型。专用密码芯片是为各种密码算法定制的专用集成电路，通过针对特定密码算法优化数据路径和管道，实现高性能和小占用空间之间的平衡。在上层密码产品的性能设计和优化时，专用密码芯片的基本性能是经过选型后确定的，很难通过优化调用方式来提升性能。基于通用密码芯片的密码算法通常有两种实现方式。基于嵌入式中央处理单元（CPU）的软件实现和使用现场可编程门阵列（FPGA）芯片的硬件实现。 CPU 软件实现通常用于低成本、快速交付的解决方案，但很难实现高性能加密服务。为了提高密码服务的性能，需要使用FPGA芯片来实现高速密码服务。按照密码算力最大化的原则，根据FPGA芯片的物理资源来评估算力，在工作频率固定的情况下，尽最大努力增加密码算法IP核。从我们的产品开发经验来看，Xilinx 通过处理，可以显着提高密码计算能力。此外，分组算法操作模式，例如计数器（CTR）模式、异或加密异或可调整分组密码与密文窃取（XTS）模式，为了灵活性，并行计算过程尽可能在FPGA逻辑中实现，而不是在主机软件中，利用芯片的最大计算能力进行密码运算。根据密码通信与密码计算能力相匹配的原则，FPGA的密码计算功能只有输出到外部对象时才有意义，这进一步提高了对密码通信功能的要求。高速串行计算机扩展总线（Peripheral Component Interconnect Express，PCIe）知识产权（IP）内核。我们还按需提供PCIe 2.0/3.0 X1/X4/X8 或X16 规格通道。 2.3 板级密码产品高性能设计要点密码板卡（又称密码卡、密码模块、密码模块等）是实现安全、高性能密码业务的通用载体，可以满足多种需求。我可以。加密的成品。密码板的密码运算和密码通信功能通常是基于密码芯片和通信芯片来设计和实现的。
增加密码芯片数量是提高密码计算能力最有效的途径，因此在板卡电路设计和驱动设计中可以考虑多芯片并行计算机制。例如，业界某些高速密码板卡为了满足客户的SM2高性能要求，设计为支持最多四通道的仅SM2芯片进行并行处理。计算机性能达到450,000 TPS。电路板布局如图2 所示，其中四个专用加密芯片用方框标记。
图2 多芯片并行计算布局，提高密码处理能力
USB和PCIe是提高密码通信功能以保证高比例的密码处理能力最常用的方法，而最高性能的PCIe接口几乎是高速密码板（模块）产品的标配。能够选择匹配的PCIe 接口规范，例如调整为X8 的PCIe X4 或调整为Gen3.0 的Gen2.0，使您的通信能力加倍。还可以通过增加物理通信通道的数量来提高性能。例如，业界的双通道加密板（见图3）根据客户需求定制专有连接器接口并实现独立双通道。 - PCIe通道的密码计算和通信输出实现了实测上位机对称加解密速度50 Gbit/s。对于密码服务功能的输出，还需要关注驱动设计优化，例如提高基于分散聚集（SG）的直接内存访问（DMA）传输效率、异步缓存、减少内存副本等技术，可以有效提高您的性能。密码。 计算功率输出效率。
图3 双通道设计提高了密码功能
通过增加密码板的密码计算能力，提高密码通信的效率，位于上位机的密码计算服务接口库可以向外界输出传输基于硬件实现的底层高速密码服务。我可以介绍一下。 2.4 机器级加密产品的高性能设计要点机器级加密产品和设备通常基于密码硬件板卡来实现基本的密码操作，并通过软件密码业务服务提供密码支持，实现转换功能。根据最大化密码计算能力的原则，最直接有效的方法就是增加主板�**沧暗拿苈氚迨浚迪侄嗫ú⑿屑扑恪Ｔ诎踩蟛桓叩挠τ贸【埃ɡ缇哂幸患丁⒍兜燃侗；さ男畔⑾低常箍梢曰贑PU进行软件加密操作。性能也可以基于CPU。执行加密操作可以显着提高计算性能。通过物理接口、网络驱动调优、密码服务高并发、网络服务协议优化等方面的完整设计和优化，提高密码通信性能，特别是针对高吞吐量的加解密需求。优化机制及性能改进要点如表2所示。
表2 密码保护产品密码通信性能提升要点
对于密码操作服务接口，行业标准的安全设备功能（SDF）接口定义良好，但有些接口效率低下，可以基于标准接口进行扩展，并且捎带传输允许接口可以提高输出。批量操作等性能。对于类Java的密码服务接口，JNI（Java Native Interface）机制提供了比Java Native Access（JavaNative Access，JNA）机制更高效的接口转换。 2.5 平台级加密产品的高性能设计要点在业务应用系统中，出于高性能、高可用性、集成管理调度等原因，引入加密平台级产品来实现大规模使用，这往往是必要的。的加密服务。对于对外提供密码服务的平台级密码产品，通常依赖于密码设备，将密码设备的服务能力进行有效组合和聚合，并整合成统一的密码计算服务接口格式的输出。提升平台级密码服务性能，优先考虑密码机集群设备数量横向增长。请注意，通常很容易达到此限制。现有工程经验表明，当集群中设备数量超过3~5台时，新设备并不能显着提高系统整体性能。性价比将会大幅下降。当在集群内部署集成密码服务平台（软件）时，该集成服务节点可能成为整个系统的瓶颈。改进方法主要有两类。一是采用并行架构进行高吞吐量的密码服务，避免服务节点出现流量拥塞。另一种是针对高频、小数据包服务使用网守/串联架构，以提高易用性和屏蔽性。另一种选择是使用Nginx 或单独的负载均衡器来扩展统一服务平台的节点容量，但这种方法扩展效率较低。
3、高速密码系统发展的思考随着企业对更高性能的密码服务的要求越来越高，高速密码系统的技术框架分为密码通信和密码操作两个方面。基于系统思维继续前进。但必须客观地认识到，现有密码服务的性能输出在很多场景下仍难以满足业务发展的需求，原因如下。首先，从整体宏观角度来看，密码服务技术在与业务应用系统的集成过程中往往是被动的、辅助性的，并且通常会与新的计算、通信和存储技术的出现和发展带动改进。对密码服务的新需求导致了密码技术尤其是高速密码技术在许多新业务场景中的采用延迟。第二步是从高速密码技术方面进行详细分析。 (1)密码系统性能横向改进的局限性和约束。从系统思维方法论的角度来看，密码系统中的各个基本实体通过横向扩展来提高性能，物理限制和衰减率是不可避免的，例如密码卡上的密码芯片，堆栈数量受到物理数量的限制。 IO 端口和并行调度能力：密码机中放置的多个密码卡的数量受到主板插槽数量和并行调度能力的限制。密码机集群的密码服务能力并不随着集群中密码机数量的增加而线性增加。工程经验表明，随着集群规模的增大，系统整体性能增长率往往会显着下降。从第三台机器开始，部署第四台设备所增加的性能与成本相比并不划算。 (2) 密码系统的纵向增长限制和性能。从系统思维方法论的角度来看，密码系统内部的纵向“连接”能力很难提高，通道性能应该会越来越慢。硬件板上的加密芯片可以实现几十Gbit/s的加解密性能，但加密卡（PCIe）、加密机（网口）、集群（网口）等。（3）我们将实现一个高性价比的方案根据您的需求进行设计。性价比对于所有工程产品来说都是不可避免的，密码产品也不例外，因此高速密码系统的开发过程需要根据需求进行针对性设计，根据密码技术的功能需求进行合理分解。根据您的业务场景的服务需求来设计大规模、全面的密码服务能力，而不是试图覆盖一切。例如，高速通信服务的加解密需要高吞吐量分组数据的对称加密，而不是使用公钥密码的高速认证，金融领域的高频在线交易服务需要高速认证使用公钥加密。是必需的。单笔业务数据量较小，小数据包对数据的非对称操作提出了强烈的要求。只有细化具体的密码要求后，才能进行有针对性的设计和工程调优。调优过程通常缺乏复杂的理论支持，依赖工程经验来逐步提高性能。
4、结束语随着信息技术的日新月异，新场景、新业务、新计算、通信和存储技术不断发展，加大了对加密技术尤其是快速加密技术的迫切需求。机会。本文结合高速密码产品开发的工程实践，整理了高速密码技术体系，特别是从系统思维的角度解构了密码服务体系，并对各个层面的密码实体的一些方法进行了阐述。我们将探索提高密码通信和密码计算能力的技术和思路，最终提出高速密码系统开发的想法和建议。
引用格式：张国庆，艾强娃. 高速加密工程实践与思路[J]. 信息安全与通信保密，2022(8):12-18。
关于作者
张国庆，男，博士，高级工程师，主要研究方向为密码工程。
艾强娃，通讯作者，男，学士，高级工程师，主要研究方向为铁路建设管理、铁路信息化、网络信息安全。
《信息安全与通信保密》 选自2022年第8期（为方便排版，省略参考文献）