0 引言

    隨著芯片集成度越來越高,，基于傳統(tǒng)共享總線架構(gòu)的片上系統(tǒng)（System on Chip,，SoC）已經(jīng)不能滿足日益復雜的應用對高帶寬的需求，并且規(guī)模擴展也出現(xiàn)了瓶頸^[1-2],。為了有效解決片上系統(tǒng)規(guī)模擴展帶來的問題,，基于片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip，NoC)的通信架構(gòu)被提了出來,。

    片上網(wǎng)絡(luò)是指由路由器按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)進行互連形成的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),，它是一種間接互連方式，采用與計算機網(wǎng)絡(luò)類似的數(shù)據(jù)包路由方式,。相比于傳統(tǒng)的片上共享總線通信技術(shù),，NoC具有許多明顯的優(yōu)勢：可擴展性好、通信效率高、低功耗,、規(guī)則性好,。

    然而，NoC這種通信架構(gòu)帶來優(yōu)點的同時,，也存在相應的易攻擊性,，給潛在的攻擊者提供了機會。目前對于NoC的研究主要集中于拓撲結(jié)構(gòu),、映射算法,、路由算法，對其安全性的研究相對來說較少,?；贜oC的片上系統(tǒng)可能面臨的安全威脅包括拒絕服務(wù)攻擊DoS、竊取秘密信息和修改與安全相關(guān)的系統(tǒng)行為和配置,。當NoC上的IP核執(zhí)行應用任務(wù)時,，它們之間有時需要交換敏感信息,，攻擊者可能利用軟件攻擊或者探針攻擊的手段竊取敏感信息^[3-4],。本文通過在網(wǎng)絡(luò)接口上增加相應的安全模塊，對攜帶有敏感信息的數(shù)據(jù)包進行認證加密,，利用GCM（Galois/Counter Mode）算法對數(shù)據(jù)包包頭認證處理生成認證標簽,、對數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分進行加密處理生成密文，從而保護NoC敏感數(shù)據(jù)的機密性和完整性,。

1 NoC安全防護

1.1 認證加密方案

    為了提高運行速度,，片上系統(tǒng)把應用任務(wù)分布在多個計算資源上執(zhí)行。然而,，這個技術(shù)要求不同的IP核相互作用,。一些帶有敏感信息的應用程序需要通過NoC交換數(shù)據(jù)，因此,，不同IP核之間的通信需要保持機密性,。

    方案的設(shè)計流程如圖1所示，安全域指的是為保護不同安全需求的信息與信息載體,，將系統(tǒng)中具有相同安全需求的可信或不可信部分劃分成不同的安全區(qū)域,。把安全域應用到NoC上，就可以把執(zhí)行同一應用任務(wù)的幾個IP核劃分在相同的安全域下,。安全域劃分完成以后,，安全域內(nèi)的IP核之間需要協(xié)商密鑰，密鑰的協(xié)商采用Diffie-Hellman組密鑰交換協(xié)議^[5,，7],。敏感數(shù)據(jù)傳輸之前，利用協(xié)商好的密鑰,，對數(shù)據(jù)進行加密認證,，從而保證數(shù)據(jù)的機密性和完整性傳輸,。

    認證加密（Authenticated Encryption，AE）可以同時為NoC通信提供機密性和完整性^[6,，8],，AE的一個重要優(yōu)點是能夠為包頭信息提供認證。一般來說,，包頭信息在數(shù)據(jù)包傳輸過程中不會改變,。包頭是以明文的方式發(fā)送的，用它可以產(chǎn)生認證標簽,。在發(fā)送方,，認證加密模塊加密數(shù)據(jù)明文和認證包頭信息，輸出是密文和一個認證標簽,。在接收方,，認證加密模塊將會處理密文和包頭信息，輸出是明文和一個認證標簽,。然后接收方比較這兩個認證標簽,，并且只有這兩個標簽相同時，它才會接收解密后的明文,。在本文的方案里,，采用GCM實現(xiàn)認證加密功能。

1.2 安全NoC結(jié)構(gòu)

    圖2所示是安全NoC的結(jié)構(gòu)圖,，其中網(wǎng)絡(luò)安全管理員NSM（Network Security Manager）是嵌入在安全IP核內(nèi)一個輕量級的軟件任務(wù),，負責安全域的建立以及密鑰的協(xié)商。當出現(xiàn)以下情況時,，安全域應該被修改,。

    (1)一個新的應用任務(wù)被映射到系統(tǒng)上；

    (2)一個任務(wù)映射到的IP核發(fā)生了變化,；

    (3)NoC處在特殊的操作條件下,，例如受到了攻擊。

    安全網(wǎng)絡(luò)接口（Security Network Interface,，SNI）嵌入了硬件安全模塊,，安全模塊能夠計算生成協(xié)商密鑰和對數(shù)據(jù)進行加密認證。當安全域被修改時,，密鑰也要被重新協(xié)商,。Diffie-Hellman協(xié)議是基于公鑰密碼技術(shù)的密鑰交換協(xié)議^[7]，安全域內(nèi)多個IP核之間的組密鑰協(xié)商可以通過它實現(xiàn),。

2 認證加密設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 安全網(wǎng)絡(luò)接口

    方案用到的數(shù)據(jù)包格式如圖3所示,，包頭信息包括了狀態(tài)位、明文/密文位、源地址和目標地址,，這些信息在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪^程中不會改變,。源IP核要發(fā)送的信息在數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)包的最后是認證標簽,。

    安全網(wǎng)絡(luò)接口SNI可以實現(xiàn)通信功能和安全功能,，它的結(jié)構(gòu)如圖4所示。對于通信功能,，安全網(wǎng)絡(luò)接口負責數(shù)據(jù)包的處理,，這能夠通過打包/解包模塊實現(xiàn)。對于安全功能,，網(wǎng)絡(luò)安全接口實現(xiàn)的安全服務(wù)包括了認證和加密,。認證保證了數(shù)據(jù)包的完整性，接收方通過比較接收到的標志位是否與自己計算得出的進行比較,，判斷數(shù)據(jù)是否被修改,。加密使數(shù)據(jù)以密文的方式傳輸，保證了數(shù)據(jù)的機密性,。認證和加密是通過認證加密模塊和密鑰處理模塊實現(xiàn)的,，密鑰處理模塊負責密鑰的協(xié)商，認證加密模塊完成認證和加密操作,。

2.2 密鑰協(xié)商

    Diffie-Hellman組密鑰協(xié)商協(xié)議可以使安全域內(nèi)的IP核共享相同的秘密密鑰,，相比于使用固定密鑰通信帶來的安全隱患^[8]，密鑰交換有利于增強通信的安全性,。同時，使用Diffie-Hellman協(xié)商密鑰有助于保證密鑰Kg的安全,，這是因為安全域內(nèi)的IP核之間只交換中間生成的密鑰ci,，而最后生成的密鑰Kg沒有在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

    每次當前安全域需要改變時,，Diffie-Hellman協(xié)議也要被執(zhí)行,。假設(shè)有一個應用A，它是由任務(wù)T1和T2組成,，分別被映射到IPa和IPb上,。任務(wù)T1和T2必須交換敏感數(shù)據(jù)，因此它們需要機密性安全服務(wù),。網(wǎng)絡(luò)安全管理員NSM為了滿足應用A的安全需求,，一個新的安全域必須建立起來。

    安全管理員NSM,、IPa和IPc分別通過安全網(wǎng)絡(luò)接口SMI,、SNIa和SNIc連接到NoC上。如圖5所示，密鑰協(xié)商一共有6步,。第一步,，安全管理員給SNIa和SNIc發(fā)送一個控制數(shù)據(jù)包。第二步,，每個SNI用它自己私有的數(shù)字（s_a和s_c）得到一個局部密鑰c_i,，c_i=g^s mod p。第三步,，當獲得局部密鑰c_a和c_c后,，把它們發(fā)送給安全域內(nèi)的其他成員，c_a被發(fā)送給SNIc,，c_c被發(fā)送給SNIa,。第四步，局部密鑰被接收后,，SI可以計算得到組密鑰k_g,。第五步，當SI得到組密鑰k_g,，它就通知NSM,。第六步，當NSM接收到所有安全成員SNIa和SNIc的通知后,，NSM釋放通信,。SNIa和SNIc得到的密鑰k_g，可以用來對稱加密數(shù)據(jù),。

2.3 GCM認證加密

    GCM是一種在二元Galois域使用泛散列函數(shù)提供加密認證的分組密碼算法,，它可以用一個簡單的密鑰產(chǎn)生密文和消息摘要。由于其采用CTR模式實現(xiàn)加密,采用Galois域的泛HASH函數(shù)進行認證,其硬件實現(xiàn)上具有低成本,、低延時和高速率的特點,。GCM算法包括AES和GHASH，AES可以用來加密數(shù)據(jù),，GHASH可以為附加認證數(shù)據(jù)提供認證,。

    GCM的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。為了實現(xiàn)這個結(jié)構(gòu),，采用128 bit的AES加密模塊,。數(shù)據(jù)包中的每個數(shù)據(jù)也是128 bit，并且數(shù)據(jù)的個數(shù)是固定的,。認證標簽也被固定在128 bit,，這可以提供更好的安全性。在GCM中,，128 bit的AES加密模塊可以同時實現(xiàn)加解密功能,。數(shù)據(jù)包頭中的源地址,、目標地址等信息在傳輸過程是不變的，因此可以用來生成認證標簽,。這個結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是加解密操作是并行執(zhí)行的,，所以當數(shù)據(jù)包中的第一個數(shù)據(jù)加密或解密后，就可以得到密文或明文,。當加密或解密完成數(shù)據(jù)后,，將會得到認證標簽。安全網(wǎng)絡(luò)接口SNI加密完成數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù),，并把認證標簽添加到數(shù)據(jù)包的最后,，然后才把數(shù)據(jù)包發(fā)送給路由進行傳輸。數(shù)據(jù)包到達它的目標地址后,，將會被GCM認證加密模塊處理,。接收方的安全網(wǎng)絡(luò)接口解密每個數(shù)據(jù)并最終產(chǎn)生一個認證標簽。兩個認證標簽比較之后,，安全網(wǎng)絡(luò)接口SNI將會發(fā)送一個認證狀態(tài)信息給IP核,，依據(jù)這個信息，IP核將會決定接收還是拒絕這個數(shù)據(jù)包,。

3 實驗結(jié)果

    為了綜合評估該方案對性能的影響和資源消耗,，本文在NoCem（Network on Chip emulator）平臺上實現(xiàn)整體方案。NoCem是一個基于VHDL語言的NoC開源仿真環(huán)境,，它的數(shù)據(jù)位寬,、拓撲結(jié)構(gòu)虛擬通信的數(shù)量都是可配的。圖7所示為帶安全防護的NoC與一般的NoC數(shù)據(jù)包傳輸時間的對比,?？梢钥闯觯踩玁oC傳輸數(shù)據(jù)包時額外增加的延時較少,，安全模塊對系統(tǒng)性能的影響很小,。

    用Xilinx ISE14.2綜合工具對各硬件模塊進行了綜合，目標器件是Virtex-6,。安全模塊消耗的資源與整個NoC消耗的資源對比情況如表1所示。從綜合結(jié)果可知,，增加安全模塊并沒有造成明顯的資源開銷,。

4 結(jié)束語

    本文采用GCM認證加密算法對NoC傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù)進行保護，保證數(shù)據(jù)的機密性和完整性,。并且相比于已有使用固定的密鑰加密的方案^[9],，本文采用Diffie-Hellman密鑰交換協(xié)議有助于增強加密的安全性。仿真綜合結(jié)果表明,，在不對性能和面積造成明顯影響的情況下,，本文提出的方案有效提高了NoC的安全防護能力,。由于認證加密會不可避免地增加了延時，為了進一步優(yōu)化性能,，未來工作將研究如何優(yōu)化認證加密算法,，盡可能提高NoC的帶寬。

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