ARM加解密硬件加速在WebServer領域的應用研究.pdf

1、近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，建立大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的需求越來越大。這一需求推動了服務器市場的發(fā)展。大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的構建和運行的成本巨大。因此，服務器的價格和能耗決定了運行一個數(shù)據(jù)中心的成本。雖然Intel在服務器市場具有壟斷地位，但當前 ARM在服務器芯片領域已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。ARM服務器低價格、低能耗優(yōu)勢契合了數(shù)據(jù)中心降低成本的需求。在應用方面，ARM服務器在事務密集型應用上具有優(yōu)勢。因此，ARM服務器在面向WebServer應用的

2、場景中具有廣闊發(fā)展前景。目前，HTTPS在用戶訪問WebServer時的使用越來越廣泛。HTTPS是以安全為目標的HTTP連接，其安全基礎是 SSL/TLS協(xié)議。用戶采用HTTPS協(xié)議連接服務器時，服務器向客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)需要加密。而加密操作會給CPU帶來很大的計算負擔。因此，本論文將采用硬件加密引擎執(zhí)行加解密操作。
　　論文針對ARM加解密硬件加速進行了大量調研。在調研過程中發(fā)現(xiàn)，ARM加解密硬件加速的研究主要集中在嵌入式領域，

3、且主要關注硬件設計。論文將研究面向WebServer應用的ARM服務器上的加解密硬件加速。論文設計了基于OpenSSL、CryptoDev、硬件加密引擎驅動和底層硬件加密引擎的ARM加解密硬件加速系統(tǒng)，并設計了系統(tǒng)中OpenSSL與 CryptoDev、CryptoDev與硬件加密引擎驅動的交互接口。根據(jù)系統(tǒng)設計，論文首先實現(xiàn)了硬件加密引擎驅動，包括設備初始化、加密算法實現(xiàn)、信息摘要算法實現(xiàn)、中斷實現(xiàn)等。該驅動的實現(xiàn)是硬件加密引擎能被調

4、用的關鍵。接下來，論文實現(xiàn)了OpenSSL與CryptoDev交互接口，使得加解密/信息摘要請求能夠從用戶空間傳遞到內核空間，最終使得WebServer能夠調用硬件加密引擎。在實現(xiàn)系統(tǒng)的基礎上，論文構建了40Gbps帶寬的網(wǎng)絡測試環(huán)境，從OpenSSL和端到端兩個層次對系統(tǒng)進行了性能測試。在端到端測試過程中，通過在測試機上模擬實際應用場景中的高并發(fā)請求對服務器進行了壓力測試。
　　OpenSSL層測試數(shù)據(jù)顯示，在測試進程數(shù)為1，b

5、locksize為64KB時，硬件加密引擎執(zhí)行算法的性能優(yōu)于軟件執(zhí)行算法的性能。其中，AES-128-GCM、AES-256-GCM、AES-128-CBC、AES-256-CBC的性能提升了6-7倍，3DES的性能提升了18倍左右，SHA1的性能提升了2.5倍左右，SHA256的性能提升了6倍左右；加速指令執(zhí)行算法的性能優(yōu)于軟件執(zhí)行算法的性能。其中，AES-128-GCM、AES-256-GCM、AES-128-CBC、AES-256

6、-CBC的性能提升了9-11倍，SHA1的性能提升了3.5倍左右，SHA256的性能提升了7倍左右。其中，3DES算法沒有相應的加速指令。
　　端到端測試數(shù)據(jù)顯示，對于ECDHE-RSA-AES128-SHA256，ECDHE-RSA-AES256-SHA384，ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256，ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384四個CipherSuite，當pagesize大于32KB時

7、，硬件加密引擎加密對應的RPS（Request per Second）值高于軟件加密對應的RPS值。硬件加密引擎加密和軟件加密對應的RPS值均低于加速指令加密對應的RPS值。對于ECDHE-RSA-DES-CBC3-SHA，當pagesize大于4KB時，硬件加密引擎加密對應的RPS值高于軟件加密對應的RPS值。
　　基于測試結果，在未來的工作中，我們將采用軟硬協(xié)同技術，即硬件加密引擎和加速指令協(xié)同的方式優(yōu)化ARM加解密加速系統(tǒng)，