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(fù)雜的應(yīng)用對高帶寬的需求,，并且規(guī)模擴(kuò)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(kuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(kuò)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(yīng)的易攻擊性,，給潛在的攻擊者提供了機(jī)會,。目前對于NoC的研究主要集中于拓?fù)浣Y(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(dāng)NoC上的IP核執(zhí)行應(yīng)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(yīng)的安全模塊,，對攜帶有敏感信息的數(shù)據(jù)包進(jìn)行認(rèn)證加密,，利用GCM（Galois/Counter Mode）算法對數(shù)據(jù)包包頭認(rèn)證處理生成認(rèn)證標(biāo)簽、對數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分進(jìn)行加密處理生成密文,，從而保護(hù)NoC敏感數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性,。

1 NoC安全防護(hù)

1.1 認(rèn)證加密方案

    為了提高運行速度，片上系統(tǒng)把應(yīng)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(yīng)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(jī)密性。

    方案的設(shè)計流程如圖1所示,，安全域指的是為保護(hù)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(yīng)用到NoC上,，就可以把執(zhí)行同一應(yīng)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(jìn)行加密認(rèn)證,，從而保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性傳輸,。

    認(rèn)證加密（Authenticated Encryption，AE）可以同時為NoC通信提供機(jī)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(rèn)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(rèn)證標(biāo)簽。在發(fā)送方,，認(rèn)證加密模塊加密數(shù)據(jù)明文和認(rèn)證包頭信息,，輸出是密文和一個認(rèn)證標(biāo)簽。在接收方,，認(rèn)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(rèn)證標(biāo)簽。然后接收方比較這兩個認(rèn)證標(biāo)簽,，并且只有這兩個標(biāo)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(rèn)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I(xiàn)P核內(nèi)一個輕量級的軟件任務(wù),，負(fù)責(zé)安全域的建立以及密鑰的協(xié)商,。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，安全域應(yīng)該被修改,。

    (1)一個新的應(yīng)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(jìn)行加密認(rèn)證,。當(dāng)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(rèn)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(biāo)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(rèn)證標(biāo)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(fù)責(zé)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(rèn)證和加密,。認(rèn)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(biāo)志位是否與自己計算得出的進(jìn)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(jī)密性。認(rèn)證和加密是通過認(rèn)證加密模塊和密鑰處理模塊實現(xiàn)的,，密鑰處理模塊負(fù)責(zé)密鑰的協(xié)商,，認(rèn)證加密模塊完成認(rèn)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(qiáng)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(dāng)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(yīng)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(jī)密性安全服務(wù),。網(wǎng)絡(luò)安全管理員NSM為了滿足應(yīng)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(dāng)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(dāng)SI得到組密鑰k_g，它就通知NSM,。第六步,，當(dāng)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(rèn)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(rèn)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(jìn)行認(rèn)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(rèn)證數(shù)據(jù)提供認(rèn)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(rèn)證標(biāo)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(biāo)地址等信息在傳輸過程是不變的，因此可以用來生成認(rèn)證標(biāo)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(dāng)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(dāng)加密或解密完成數(shù)據(jù)后,，將會得到認(rèn)證標(biāo)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(rèn)證標(biāo)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(jìn)行傳輸,。數(shù)據(jù)包到達(dá)它的目標(biāo)地址后，將會被GCM認(rèn)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(rèn)證標(biāo)簽,。兩個認(rèn)證標(biāo)簽比較之后，安全網(wǎng)絡(luò)接口SNI將會發(fā)送一個認(rèn)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?fù)浣Y(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(hù)的NoC與一般的NoC數(shù)據(jù)包傳輸時間的對比?？梢钥闯?，安全NoC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(jìn)行了綜合,，目標(biāo)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(rèn)證加密算法對NoC傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù),，保證數(shù)據(jù)的機(jī)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(qiáng)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(hù)能力,。由于認(rèn)證加密會不可避免地增加了延時,，為了進(jìn)一步優(yōu)化性能，未來工作將研究如何優(yōu)化認(rèn)證加密算法,，盡可能提高NoC的帶寬,。

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