dpdk下ipsec内联卸载（inline offload）测试

标签：offload ESP Ctrl 端口 Command inline IPsec 数据包 dpdk

使用intel82599网卡完成。

介绍

本文介绍了数据平面开发套件 (DPDK)框架中的内联 IPsec 加速支持实现，特别关注英特尔® 82599 10 千兆以太网控制器系列的功能和支持。

内联 IPsec 可用于实现 IPsec 感知系统，该系统具有比旁路辅助和加速硬件更好的延迟，前提是支持的算法合适。

本文包含的背景信息将重点介绍 IPsec 的“后备”硬件加速与内联 IPsec 之间的差异（即数据包流差异以及应用程序端、性能和处理方面的预期差异）。

将提供设置测试系统、安装和运行 IPsec 网关应用程序的示例。

本文假设使用的DPDK版本是17.11或更高版本。

背景

DPDK 安全库提供了一个框架，用于管理和配置卸载到基于硬件的设备的安全协议操作。该库定义了通用 API 来创建和释放安全会话，这些会话可以支持完整的协议卸载以及与网络接口控制器 (NIC) 或加密设备的内联加密操作。

自 17.11 版以来，安全库就已包含在 DPDK 中，它引入了 API 和功能，可以添加对英特尔 82599 10 千兆以太网控制器系列上已有的内联加密 (IPsec) 加速的支持。DPDK IXGBE 驱动程序也进行了更新，支持内联 IPsec。

英特尔 82599 10 千兆以太网控制器系列仅支持 AES-GCM 128，因此支持的协议：

仅 ESP 身份验证：AES-128-GMAC（128 位密钥）
ESP 加密和认证：AES-128-GCM（128 位密钥）
IPsec安全网关示例应用程序也支持此功能，下面将详细说明。

数据包流
首先，让我们看一下数据包在系统中的流动和处理。
在这里插入图片描述
上面描述的数据包流显示了传入加密 IPsec 数据包的数据包处理阶段。在第一种情况下，使用旁路英特尔® QuickAssist 技术 (英特尔® QAT) 硬件加速器对其进行处理（解密和/或验证）。在第二种情况下，使用英特尔 82599 10 千兆以太网控制器中提供的内联 IPsec 硬件处理对其进行处理。

如上所述，处理的第二阶段（解密和/或身份验证）由网络控制器本身与数据包接收阶段相结合。 DPDK 应用程序仍需要处理封装安全有效负载 (ESP) 数据包的封装和解封装。

除数据包方向外，传出流程相同。

软件 API 和示例应用程序

现在，让我们看看软件 API、要求和使用模型。我们将使用IPsec 安全网关示例应用程序中的代码摘录，这些代码经过简化，清晰易懂，并且删除了错误处理。

首先，我们需要创建一个安全会话，从以下配置开始：

struct rte_security_session_conf sess_conf = {
    .action_type = RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_INLINE_CRYPTO,
    .protocol = RTE_SECURITY_PROTOCOL_IPSEC,
    {.ipsec = {在这里插入代码片
        .spi = <SPI>,
        .salt = <Salt>,
        .options = { 0 },
        .direction = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_DIR_INGRESS,
        .proto = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_PROTO_ESP,
        .mode = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_MODE_TUNNEL,
    } },
    .crypto_xform = <xforms>,
    .userdata = NULL,
};

接下来，创建安全会话：

struct rte_security_ctx *ctx = (struct rte_security_ctx *)
    rte_eth_dev_get_sec_ctx(<portid>);
rte_security_session *sec_session = 
    rte_security_session_create(ctx, &sess_conf, <session_pool>);

然后，创建一个 RTE_FLOW_ACTION_TYPE_SECURITY 流：

pattern[0].type = RTE_FLOW_ITEM_TYPE_ETH;
pattern[1].type = RTE_FLOW_ITEM_TYPE_IPV4;
pattern[1].mask = &rte_flow_item_ipv4_mask;
pattern[2].type = RTE_FLOW_ITEM_TYPE_ESP;
pattern[2].spec = &esp_spec; /*contains the SPI*/
pattern[2].mask = &rte_flow_item_esp_mask;

action[0].type = RTE_FLOW_ACTION_TYPE_SECURITY;
action[0].conf = sa->sec_session;
action[1].type = RTE_FLOW_ACTION_TYPE_END;
action[1].conf = NULL;

flow = rte_flow_create(portid, , <pattern>, , &<err>);

这样，配置就完成了，并且安全关联 (SA) 对于与所创建流匹配的传入 ESP 数据包处于活动状态。“rte_mbuf”结构中的卸载标志将通过设置 PKT_RX_SEC_OFFLOAD 标志来指示数据包是否以内联方式处理，如果发生任何错误，还将设置 PKT_RX_SEC_OFFLOAD_FAILED。

对于传出的数据包，编程类似，只是应用程序需要设置卸载标志 PKT_TX_SEC_OFFLOAD。

测试系统设置

除了 DPDK 和示例应用程序之外，我们还将使用 Python* scapy v2.4.0（数据包生成器）和 pycryptodome v3.6.0（提供 AES-GCM 支持）来生成明文和加密数据包。

将以下内容保存为 inline_ipsec.py：

from scapy.all import *

def main(argv):
    
    payload = 'test-' * 2000
    
    sa = SecurityAssociation(ESP, spi=5, crypt_algo='AES-GCM', 
            crypt_key='\x2b\x7e\x15\x16\x28\xae\xd2\xa6\xab\xf7\x15'
                      '\x88\x09\xcf\x4f\x3d\xde\xad\xbe\xef', 
            auth_algo='NULL', auth_key=None,
            tunnel_header=IP(src='172.16.1.5', dst='172.16.2.5'))
    sa.crypt_algo.icv_size = 16
    
    try:
        opts, args = getopt.getopt(argv, 'c:i:s:e:',
                                   ['count=', 'iface=', 'size=', 'encrypt='])
    except getopt.GetoptError:
        sys.exit(2)


    maxcount = 1
    intface = "enp2s0f0"
    paysize = 64
    do_encrypt = True

    for opt, arg in opts:
        if opt in ("-c", "--count"):
            maxcount = arg
        if opt in ("-i", "--iface"):
            intface = arg
        if opt in ("-s", "--size"):
            paysize = arg
        if opt in ("-e", "--encrypt"):
            if arg == '0' or arg == 'False':
                do_encrypt = False

    p = IP(src='192.168.105.10', dst='192.168.105.10')
    p /= "|->"
    p /= payload[0:(int(paysize) - 6)]
    p /= "<-|"
    p = IP(str(p))
    
    if do_encrypt:
        e = sa.encrypt(p)
    else:
        e = p
    
    eth_e = Ether()/e
    
    sendp(eth_e, iface=intface, count=int(maxcount))
        
if __name__ == "__main__":
    exit(main(sys.argv[1:]))

测试系统配置如下图所示。

在这里插入图片描述
该配置使用两个英特尔® 82599ES 10 千兆以太网控制器双端口卡，如上所示连接。

在此特定配置中，卡 1 端口将分配给 DPDK 驱动程序，端口 0 BDF 06:00.0 和端口 1 BDF 06:00.1。卡 0 端口将分配给内核驱动程序，标识为 enp2s0f0 和 enp2s0f1。请注意，在其他系统中，地址和端口名称可能不同。

根据此数据创建 IPsec 示例应用配置，并将其保存为名为 inline.cfg 的文件。例如：

#SP IPv4 rules
sp ipv4 out esp protect 1005 pri 1 dst 192.168.105.0/24 sport 0:65535 dport 0:65535

#SA rules
sa out 1005 aead_algo aes-128-gcm aead_key 2b:7e:15:16:28:ae:d2:a6:ab:f7:15:88:09:cf:4f:3d:de:ad:be:ef \
mode ipv4-tunnel src 172.16.1.5 dst 172.16.2.5 \
port_id 1 \
type inline-crypto-offload \

sa in 5 aead_algo aes-128-gcm aead_key 2b:7e:15:16:28:ae:d2:a6:ab:f7:15:88:09:cf:4f:3d:de:ad:be:ef \
mode ipv4-tunnel src 172.16.1.5 dst 172.16.2.5 \
port_id 1 \
type inline-crypto-offload \

#Routing rules
rt ipv4 dst 172.16.2.5/32 port 1
rt ipv4 dst 192.168.105.10/32 port 0

然后按如下方式启动应用程序：

ipsec-secgw \
	-l 6,7 \
	-w 06:00.0 -w 06:00.1 \
	--log-level 8 --socket-mem 1024,0 --vdev crypto_null \
	-- -p 0xf -P -u 0x2 \
	--config="(0,0,6),(1,0,7)" -f ./inline.cfg

请注意，NULL 加密设备仅存在，因为应用程序需要“真正的”加密 PMD（出于遗留原因）。

测试 ESP 解密和解密数据包的转发

为了测试应用程序，在端口 1 上发送加密数据包：

python inline_ipsec.py -i enp2s0f1 -s 64 -c 32 -e 1

在监听端口 0 时：

tcpdump -i enp2s0f0 –vvX

在端口 0 上应该可以观察到解密的数据包：

10:31:00.636564 IP (tos 0x0, ttl 63, id 1, offset 0, flags [none], 
                    proto Options (0), length 84)
    192.168.105.10 > 192.168.105.10:  ip 64
	0x0000:  4500 0054 0001 0000 3f00 0100 c0a8 690a  E..T....?.....i.
	0x0010:  c0a8 690a 7c2d 3e74 6573 742d 7465 7374  ..i.|->test-test
	0x0020:  2d74 6573 742d 7465 7374 2d74 6573 742d  -test-test-test-
	0x0030:  7465 7374 2d74 6573 742d 7465 7374 2d74  test-test-test-t
	0x0040:  6573 742d 7465 7374 2d74 6573 742d 7465  est-test-test-te
	0x0050:  733c 2d7c                                s<-|

数据包流向如下：

端口 1 接收到 ESP 数据包。
端口 1 RX 队列包含已解密有效载荷的 ESP 数据包。
ESP 解封装。
包含解密有效负载的明文数据包在端口 0 上传输。

测试 ESP 加密

为了测试应用程序，在端口 0 上发送明文数据包：

python inline_ipsec.py -i enp2s0f0 -s 64 -c 32 -e 0

在监听端口 1 时：

tcpdump -i enp2s0f0 –vvX

在端口 1 上应该可以观察到加密数据包：

10:37:45.622669 IP (tos 0x0, ttl 64, id 0, offset 0, flags [none], 
                    proto ESP (50), length 140)
    172.16.1.5 > 172.16.2.5: ESP(spi=0x000003ed,seq=0x20), length 120
	0x0000:  4500 008c 0000 0000 4032 1f16 ac10 0105  E.......@2......
	0x0010:  ac10 0205 0000 03ed 0000 0020 0000 0000  ................
	0x0020:  0000 0020 fd78 c8f5 7fab 4fb3 5b98 7e79  .....x....O.[.~y
	0x0030:  81b0 b4f2 d796 ccd4 f0a7 b031 bb9b 9bde  ...........1....
	0x0040:  af18 767e 5d0f 73e3 bc82 4ea3 4afb 00eb  ..v~].s...N.J...
	0x0050:  6d02 a367 7a3a c2dd 6b64 74c1 5d41 bb45  m..gz:..kdt.]A.E
	0x0060:  7ac2 c1e0 0fb8 5f73 7fcd 4304 e396 32ea  z....._s..C...2.
	0x0070:  228e 22e5 4a3e ea72 88fb 13a7 e940 9346  ".".J>[email protected]
	0x0080:  4451 98cf 97fd 878c 96f0 f754            DQ.........T

数据包流向如下：

在端口 0 上接收到明文数据包。
ESP 封装。
数据包被放置在端口 1 上的 TX 队列中。
数据包在传输过程中由端口1加密。

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Gamma公式展示 Γ ( n ) = ( n − 1 ) ! ∀ n ∈ N \Gamma(n) = (n-1)!\quad\forall n\in\mathbb N Γ(n)=(n−1)!∀n∈N 是通过欧拉积分

Γ ( z ) = ∫ 0 ∞ t z − 1 e − t d t . \Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1}e^{-t}dt\,. Γ(z)=∫0∞tz−1e−tdt.

你可以找到更多关于的信息 LaTeX 数学表达式here.

新的甘特图功能，丰富你的文章

关于 甘特图 语法，参考这儿,

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可以使用UML图表进行渲染。 Mermaid. 例如下面产生的一个序列图：

这将产生一个流程图。:

关于 Mermaid 语法，参考这儿,

FLowchart流程图

我们依旧会支持flowchart的流程图：

关于 Flowchart流程图 语法，参考这儿.

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mermaid语法说明 ↩︎
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