面向任務(wù)級(jí)的多核密碼處理器數(shù)據(jù)分配機(jī)制

戴樂育，李 偉，2，徐金甫，李軍偉

（1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州450001；2.復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201203）

0 引 言

隨著密碼算法與安全協(xié)議的日益復(fù)雜多樣，多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配問題逐漸凸顯，靈活性較差的數(shù)據(jù)分配機(jī)制極大地限制了密碼算法的映射數(shù)量與映射方式。

目前，在多核處理器領(lǐng)域，解決多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配方法主要有兩類。一類是設(shè)計(jì)專用的分配控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分配。如文獻(xiàn) ［1，2］分別提出了基于主動(dòng)請(qǐng)求策略、端口輪詢機(jī)制和基于可編程描述符的控制機(jī)制等不同機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分配，并設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)分配控制器，能夠較好解決文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)分配問題，具有一定的靈活性。但是由于多密碼算法并行實(shí)現(xiàn)的需求，其應(yīng)用于多核密碼處理器中，靈活性較差，數(shù)據(jù)分配方式不能靈活轉(zhuǎn)變，不能適應(yīng)多核密碼處理器的使用需求。另一類是利用處理器完成數(shù)據(jù)分配工作。如文獻(xiàn) ［3－5］采用NoC網(wǎng)絡(luò)最靠近輸入隊(duì)列的處理器完成對(duì)數(shù)據(jù)的分配，能夠解決數(shù)據(jù)分配問題，但具有較大的數(shù)據(jù)分配延遲，不利于單密碼算法高速實(shí)現(xiàn)和多密碼算法并行實(shí)現(xiàn)。此外，這種占用密碼處理器的數(shù)據(jù)分配方式，會(huì)降低密碼處理器運(yùn)算單元的利用率，不適合多核密碼處理器的特點(diǎn)。

針對(duì)多核密碼處理器的密碼處理和數(shù)據(jù)分配的特性，本文分析了密碼算法和密碼協(xié)議的數(shù)據(jù)流特征，研究了多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配機(jī)制，提出了面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制，并對(duì)不同數(shù)據(jù)分配機(jī)制進(jìn)行分析建模和評(píng)估。

1 密碼算法映射特征分析

多核密碼處理器是密碼算法和密碼協(xié)議的物理載體，其數(shù)據(jù)分配機(jī)制取決于多核密碼處理器的密碼算法映射方案。因此，本文針對(duì)密碼算法在多核密碼處理器中的映射特征進(jìn)行研究。

1.1 密碼算法及信息安全協(xié)議特征分析

在信息安全系統(tǒng)中，多核密碼處理器主要承擔(dān)加密、解密、壓縮、簽名、完整性驗(yàn)證等密碼處理任務(wù)，或由多個(gè)密碼處理任務(wù)組合實(shí)現(xiàn)的信息安全協(xié)議。在信息安全協(xié)議中的密碼處理任務(wù)基本組合方式主要包括兩大類：串聯(lián)形式和并聯(lián)形式。

所謂串聯(lián)形式是指明文需要通過一個(gè)密碼算法運(yùn)算后再進(jìn)行下一個(gè)密碼算法的運(yùn)算。如SSL 記錄層協(xié)議中，如圖1所示，報(bào)文通過Hash算法壓縮后，再進(jìn)行分組密碼算法的加密。所謂并聯(lián)形式是指明文需要同時(shí)通過兩個(gè)密碼算法的運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為密文輸出。如IPsec協(xié)議中ESP協(xié)議，報(bào)文需同時(shí)通過加密算法和認(rèn)證算法運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為密文輸出。

圖1 SSL記錄層協(xié)議

1.2 多核密碼處理器映射研究

根據(jù)上述特點(diǎn)，密碼算法的映射方案可分為單密碼算法映射、多密碼算法映射和密碼協(xié)議映射3類，如圖2所示。在單密碼算法的映射過程中，為了實(shí)現(xiàn)密碼高速實(shí)現(xiàn)，映射方式可以分為3類：①并行映射方式，這種密碼映射方式是將密碼算法重復(fù)映射在各個(gè)密碼處理器中，數(shù)據(jù)分配需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆解，按照輪詢機(jī)制將數(shù)據(jù)輸入到各密碼處理器中；②流水映射方式，它是將密碼算法拆解成不同的密碼任務(wù)，數(shù)據(jù)分配時(shí)不需拆解數(shù)據(jù)，只需將數(shù)據(jù)輸入到固定的密碼處理器中；③混合映射方式，將上述兩種映射方式混合應(yīng)用。在多密碼算法的映射過程中，為了實(shí)現(xiàn)多密碼算法的并行實(shí)現(xiàn)，映射方式主要采用混合映射方式，即多密碼算法間并行映射，算法內(nèi)部采用流水映射。其數(shù)據(jù)分配方式需要按照用戶對(duì)多核密碼處理器密碼處理運(yùn)算的需求，將數(shù)據(jù)輸入到不同的處理器中。在信息安全協(xié)議的映射過程中，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)議的流水執(zhí)行，需要將協(xié)議拆分成不同的密碼處理任務(wù)，并將任務(wù)映射在不同的密碼處理器中，此時(shí)數(shù)據(jù)分配需要按照信息安全協(xié)議的要求進(jìn)行分配。

圖2 多核密碼處理器密碼算法映射分類

對(duì)于多核密碼處理器，不同的處理器完成不同的密碼運(yùn)算。而信息安全協(xié)議中，所需完成的協(xié)議往往比較復(fù)雜。如SSL協(xié)議中包括密碼更換協(xié)議、握手協(xié)議、告警協(xié)議、記錄層協(xié)議等，IPsec協(xié)議中包含AH 協(xié)議、ESP 協(xié)議等。在工作過程中，信息安全系統(tǒng)不需要了解多核密碼處理器是如何對(duì)映射信息安全協(xié)議和密碼算法等信息，只需提供信息安全任務(wù)需求、報(bào)文長(zhǎng)度等基本信息。這就要求多核密碼處理器與信息安全系統(tǒng)之間必須有靈活可變的通信協(xié)議，才能保證多核密碼處理器解析信息安全系統(tǒng)提出的信息安全任務(wù)需求，將數(shù)據(jù)正確的分配到密碼處理器中。

通過分析可知，多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配取決于多核密碼處理器的密碼映射方案。多核密碼處理器的密碼映射方案取決于信息安全系統(tǒng)對(duì)密碼算法和信息安全協(xié)議的需求也不同。而密碼算法和信息安全協(xié)議的種類繁多，不同環(huán)境和不同系統(tǒng)對(duì)密碼算法的需求也不相同，這要求多核密碼處理器必須具有靈活的數(shù)據(jù)分配機(jī)制。

2 面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制

多核密碼處理器集成了多個(gè)文獻(xiàn) ［6］設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的分組密碼處理器。本文對(duì)其數(shù)據(jù)分配機(jī)制進(jìn)行了研究，提出了具有較高靈活性的面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制。

2.1 數(shù)據(jù)分配機(jī)制研究

在密碼處理器中，數(shù)據(jù)分配方式是根據(jù)密碼算法的特征定義不同的數(shù)據(jù)類型，并為不同的數(shù)據(jù)類型規(guī)定了不同的數(shù)據(jù)輸入緩存區(qū)域，用于區(qū)分不同類型數(shù)據(jù)的輸入。而多核密碼處理器在集成多個(gè)密碼處理器情況下，數(shù)據(jù)類型的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，將單核處理器其的數(shù)據(jù)分配方式應(yīng)用多核處理器，會(huì)增加輸入緩存設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，多個(gè)密碼處理器需要同時(shí)對(duì)輸入緩存進(jìn)行操作，存在數(shù)據(jù)緩存一致性的問題，且不利于數(shù)據(jù)的并行分配和廣播輸入。

通過對(duì)文獻(xiàn) ［1－5］的比較，文獻(xiàn) ［1，2］的數(shù)據(jù)分配方式不需要耗費(fèi)處理器的使用資源，但是分配方式不夠靈活，控制方式不夠便捷。文獻(xiàn) ［3－5］的數(shù)據(jù)分配機(jī)制具有較高的靈活性和便捷的編程方式，但是此類數(shù)據(jù)分配方式需要耗費(fèi)處理器的運(yùn)算資源，且數(shù)據(jù)分配的延遲較大。將上述兩種方式結(jié)合，在多核密碼處理器中集成數(shù)據(jù)分配控制器，能夠在不耗費(fèi)處理器的運(yùn)算資源的情況下，保持分配方式的靈活和控制方式的便捷。

本文以4個(gè)基于文獻(xiàn) ［6］的分組密碼處理器為例，搭建了多核密碼處理器的硬件架構(gòu)，如圖3所示。其中Import ctrl為多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配控制器，用于完成數(shù)據(jù)分配。

圖3 多核專用密碼處理器架構(gòu)

2.2 多核密碼處理的任務(wù)級(jí)劃分

多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配方式取決于不同密碼算法映射方案的同時(shí)，也取決于多核密碼處理器所在的信息安全系統(tǒng)對(duì)密碼算法的使用需求。而在密碼映射方案、信息安全系統(tǒng)對(duì)密碼算法的使用需求和多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配方式三者之間必然存在某種關(guān)系，使得三者能夠有機(jī)的聯(lián)系起來，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。故本文有必要對(duì)多核密碼處理器在信息安全系統(tǒng)中所需完成的工作進(jìn)行任務(wù)級(jí)劃分。

在信息安全系統(tǒng)中，多核密碼處理器作為一個(gè)密碼處理模塊，需要完成包含加密、解密、簽名、雜湊等一個(gè)或者多個(gè)系統(tǒng)處理任務(wù)，并且支持更換系統(tǒng)算法、更換算法密鑰、更換算法初始向量、處理器復(fù)位、功耗管理等系統(tǒng)控制任務(wù)。從密碼算法的映射方案的角度講，多核密碼處理器所需完成的任務(wù)取決于多核密碼處理器的密碼算法映射方案。只有確定了密碼算法映射方案，多核密碼處理器的算法運(yùn)算、更換算法密鑰、更換算法初始向量等任務(wù)才能確定。從信息安全系統(tǒng)的角度講，多核密碼處理器的任務(wù)必須涵蓋信息安全系統(tǒng)對(duì)多核密碼處理器的所有使用需求。否則，多核密碼處理器不能在信息安全系統(tǒng)中發(fā)揮完備的密碼處理保障任務(wù)。從數(shù)據(jù)分配方式的角度講，多核密碼處理器所需要完成的任務(wù) （處理器復(fù)位除外）均需要信息安全系統(tǒng)向多核密碼處理器傳輸需要處理數(shù)據(jù)、需要更換的算法指令、需要更換的密鑰等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分配方式需要根據(jù)不同的任務(wù)將數(shù)據(jù)分配到多核密碼處理器的不同位置。

綜上所述，多核密碼處理的任務(wù)級(jí)劃分是密碼映射方案、信息安全系統(tǒng)對(duì)密碼算法的使用需求和多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配方式三者之間的關(guān)鍵橋梁，只有把握這一點(diǎn)，才能有效地解決多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配問題。

2.3 面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制

通過上述分析，本文提出了面向任務(wù)級(jí)的多核密碼處理器數(shù)據(jù)分配機(jī)制。由密碼算法和信息安全協(xié)議的特征可知，每種密碼算法或協(xié)議對(duì)應(yīng)的密碼處理任務(wù)一般包括加密、解密、雜湊、簽名或多種密碼處理的組合，但是對(duì)應(yīng)密碼處理任務(wù)的數(shù)量是有限的。而多核密碼處理器的處理器數(shù)量和每個(gè)處理器指令RAM 的大小的限制，在多核密碼處理器中映射的密碼算法和密碼協(xié)議的數(shù)量是有限的。故多核密碼處理器的密碼處理任務(wù)也是有限的。

在面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制的開發(fā)過程中，如圖4所示，需要根據(jù)多核密碼處理器所在系統(tǒng)的信息安全需求，確定多核密碼處理器的密碼算法映射方案。之后，通過算法映射方案確定多核密碼處理器所需完成的系統(tǒng)任務(wù)。根據(jù)任務(wù)以及對(duì)應(yīng)的不同數(shù)據(jù)類型，確定數(shù)據(jù)的分配方式，并生成任務(wù)映射列表。

圖4 數(shù)據(jù)類型到分配方式的映射機(jī)制

面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制的開發(fā)在多核密碼處理器的開發(fā)階段完成，在多核密碼處理器的密碼處理任務(wù)映射方案不變的情況下，數(shù)據(jù)分配程序、任務(wù)編號(hào)和任務(wù)映射列表均不需要改變。面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制的使用過程中，信息安全系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)使用需求，查找需要多核密碼處理器需要完成的系統(tǒng)處理任務(wù)，并將任務(wù)編號(hào)和待處理的數(shù)據(jù)通過多核密碼處理器的數(shù)據(jù)輸入?yún)f(xié)議分發(fā)給多核密碼處理器進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)輸入?yún)f(xié)議如圖5所示。

圖5 面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)輸入?yún)f(xié)議

在輸入數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)需要將待處理數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的任務(wù)編號(hào)、待處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和系統(tǒng)自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)包包號(hào)形成數(shù)據(jù)包包頭，輸入多核密碼處理器內(nèi)部。數(shù)據(jù)輸入?yún)f(xié)議中，數(shù)據(jù)包包號(hào)用于配合任務(wù)編號(hào)，用作輸出數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)。任務(wù)編號(hào)用作標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。

3 數(shù)據(jù)分配機(jī)制評(píng)估模型

為了從理論角度分析、評(píng)估面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制與文獻(xiàn) ［1－5］所述的其它3種不同數(shù)據(jù)分配機(jī)制的數(shù)據(jù)分配效率和靈活性，本文建立了數(shù)據(jù)分配機(jī)制評(píng)估模型。為了能夠量化的分析4種不同數(shù)據(jù)分配機(jī)制的數(shù)據(jù)分配效率，給出數(shù)據(jù)分配吞吐率的定義。

定義 數(shù)據(jù)分配效率指單位時(shí)間內(nèi)分配的有效數(shù)據(jù)量，記為Г，單位為bps

式 （1）中，N 表示有效數(shù)據(jù)量，T 表示數(shù)據(jù)從輸入到處理器所需的時(shí)間。為了研究不同數(shù)據(jù)分配機(jī)制的數(shù)據(jù)分配吞吐率，模型將有效數(shù)據(jù)量的數(shù)值固定為4×128×32 （bit），比較不同數(shù)據(jù)分配機(jī)制需要耗費(fèi)的理論時(shí)間。基于4種數(shù)據(jù)分配方式本文建立了SystemC 的硬件模型。將5種不同的密碼算法映射方案在硬件模型上進(jìn)行了映射，利用功能仿真工具，評(píng)估了不同數(shù)據(jù)分配機(jī)制的理論平均數(shù)據(jù)分配吞吐率見表1。

表1 不同分配機(jī)制的數(shù)據(jù)分配效率

結(jié)果表明，與文獻(xiàn) ［1］的基于主動(dòng)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)分配機(jī)制比較，面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制具有更高的數(shù)據(jù)分配靈活性，能靈活地適用于不同密碼算法映射機(jī)制。與文獻(xiàn)［2］的基于可編程描述符和文獻(xiàn) ［3－5］的基于NoC 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制比較，面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制具有更高的數(shù)據(jù)分配效率，能高效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分配。

4 結(jié)束語

本文深入研究了多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配機(jī)制及其控制機(jī)制，提出了面向任務(wù)級(jí)的多核密碼處理器數(shù)據(jù)分配機(jī)制，并與不同多核處理的數(shù)據(jù)分配機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，面向任務(wù)級(jí)的數(shù)據(jù)分配機(jī)制具有更高的性能提升和靈活性，解決了在面臨復(fù)雜密碼算法映射方案下多核密碼處理器數(shù)據(jù)分配不靈活的問題，提高了多核密碼處理器的數(shù)據(jù)分配效率，保證了多核密碼處理器的密碼運(yùn)算能力。

［1］LIU Yu，LI Kang，MA Peijun，et al.High－speed data exchange control structure of multi－core network processor ［J］.Computer Engineering，2010，36 （14）：215－217.

［2］WANG Haixin，BAI Guoqiang，CHEN Hongyi.Design of a high performance network security processor ［J］.Journal Tsinghua University （Science ＆Technology），2010，50 （1）：13－17.

［3］Yu Zhiyi，You Kaidi，Xiao Ruijin，et al.An 800 MHz 320 MW 16－Core processor with message－passing and shared－memory inter－core communication mechanisms［C］／／ISSCC，2012：64－65.

［4］XIAO Ruijin.Multi－core processors hierarchical storage architecture ［D］.Shanghai：Fudan University，2012 （in Chinese）. ［肖瑞瑾，多核處理器層次化存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu) ［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.］

［5］HENG Quan.The research and design of the computing and communication module on the multi－core processors ［D］.Shanghai：Fudan University，2012 （in Chinese）. ［權(quán)衡.多核處理器運(yùn)算及核間通訊模塊設(shè)計(jì)研究 ［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.］

［6］Dai Zibin，Li Wei，Yang Xiaohui，et al.The research and implementation of reconfigurable processor architecture for block cipher processing ［C］／／ICESS，2008：587－593.

［7］Thambipillai Srikanthan.Run－time mapping of multiple communicating tasks on MPSoC platforms［C］／／Procedia Computer Science 1，2012：1019－1026.

［8］Yang Xiaohui，Dai Zibin，Zhang Yongfu.Research and design of reconfigurable computing targeted at block cipher processing［J］.Journal of Computer Research and Development，2009，46 （6）：962－967.

［9］YANG Xiaohui，DAI Zibin，LI Miao，et al.Research and design of parallel architecture processor for elliptic curve crypto－graphy ［J］.Journal on Communications，2011，32 （5）：70－77.

［10］MA Wenbo.Design and implementation of key technologies for data push－pull bus protocol on multi－core network ［D］.Xi’an：Xidian University，2012 （in Chinese）.［馬文博.多核網(wǎng)絡(luò)處理器數(shù)據(jù)推拉總線協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.］

［11］GUO Naiwang.The research of the packet classification algorithms based on multi－core network processor［D］.Shanghai：Fudan University，2011 （in Chinese）.［郭乃網(wǎng).基于多核網(wǎng)絡(luò)處理器的數(shù)據(jù)包分類算法研究 ［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2011.］

［12］GUO Xiuyan.The research of multi－level real－time network stream scheduling on multicore network processor ［D］.Hefei：University of Science and Technology of China，2011（in Chinese）.［郭秀巖.面向多核的多層次實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)度技術(shù)研究 ［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.］