Google откри разработки, свързани с защитения мрежов протокол PSP

Компания Google обяви откритие на спецификациите и еталонната реализация на протокола PSP (PSP Security Protocol), използван за криптиране на трафика между датацентрове. Протоколът използва архитектура за инкапсулация на трафик, подобна на IPsec ESP (Encapsulating Security Payloads) над IP, осигурявайки криптиране, криптографски контрол на целостта и автентикация на източника. Кодът на реализацията на PSP е написан на езика Си и се разпространява под лицензия Apache 2.0.

Особеност на PSP е оптимизацията на протокола за ускоряване на изчисленията и намаляване на натоварването на централния процесор чрез прехвърляне на операциите по криптиране и декриптиране на страницата на мрежовите карти (offload). За прилагане на хардуерно ускорение е необходимо наличие на специализирани мрежови карти, съвместими с PSP. За системи с мрежови карти, които не поддържат PSP, е предложена софтуерна реализация SoftPSP.

Протоколът UDP се използва като транспорт за предаване на данни. Пакетът PSP започва с IP заглавие, след което следва UDP заглавие и след това собственото заглавие PSP с информация за криптиране и автентикация. Следва прикрепянето на съдържанието на оригиналния TCP/UDP пакет, което завършва с крайния блок PSP с контрольна сума за потвърждаване на целостта. Заглавието PSP, както и заглавието и данните на инкапсулирания пакет винаги са автентифицирани, за да се потвърди автентичността на пакета. Данните на инкапсулирания пакет могат да бъдат криптирани, като се допуска възможността за селективно прилагане на криптиране с оставяне на част от TCP заглавието в открит вид (при запазване на контрола на автентичността), например, за да се осигури възможност за инспектиране на пакетите на транзитната мрежова апаратура.

PSP не е обвързан с определен протокол за обмен на ключове, предлага различни опции за формата на пакетите и поддържа използването на различни криптоалгоритми. Например, предоставя се поддръжка на алгоритъма AES-GCM за криптиране и проверка на автентичността (автентикация) и AES-GMAC за проверка на автентичността без криптиране на непосредствените данни, например, когато данните нямат стойност, но е необходимо да се гарантира, че те не са били подменени по време на предаване и че са именно тези, които са били изпратени първоначално.

В отличие от типичните VPN-в протоколите PSP се прилага криптиране на ниво индивидуални мрежови връзки, а не на целия комуникационен канал, т.е. PSP използва различни ключове за криптиране за различни тунелирани UDP и TCP връзки. Подобен подход позволява по-строга изолация на трафика от различни приложения и обработчици, което е особено актуално при изпълнението на една сървър приложение и услуги на различни потребители.

В Google протоколът PSP се прилага както за защита на собствените вътрешни комуникации, така и за защита на трафика на клиентите на Google Cloud. Протоколът е проектиран да работи ефективно в инфраструктури от ниво Google и трябва да осигурява хардуерно ускорение на криптирането при наличие на милиони активни мрежови връзки и инсталиране на стотици хиляди нови връзки в секунда.

Поддържат се два режима на работа — «stateful» и «stateless». В режим «stateless» ключовете за криптиране се предават на мрежовата карта в дескриптор на пакета, а за декриптиране се изтеглят от полето SPI (Security Parameter Index) в пакета с помощта на основния ключ (256-бит AES, съхранява се в паметта на мрежовата карта и се заменя на всеки 24 часа), което позволява икономия на паметта на мрежовата карта и минимизиране на информацията за състоянието на криптираните връзки, съхранявана на страната на оборудването. В режим «stateful» ключовете за всяка връзка се съхраняват на мрежовата карта в специална таблица, по аналогия с принципа, по който се реализира хардуерното ускорение в IPsec.

PSP предоставя уникална комбинация от възможностите на протоколите TLS и IPsec/VPN. TLS подхождаше на Google от гледна точка на защита на ниво индивидуални връзки, но не удовлетворяваше поради недостатъчната гъвкавост за хардуерно ускорение и липсата на поддръжка за UDP. IPsec осигуряваше независимост от протоколите и добре поддържаше хардуерно ускорение, но не подкрепяше обвързването на ключове с индивидуални връзки, беше проектиран само за малък брой създавани тунели и имаше проблеми с мащабирането на хардуерното ускорение поради съхранението на пълното състояние на криптирането в таблици, разположени в паметта на мрежовата карта (например, за обработка на 10 млн. връзки са необходими 5 GB памет).

В случай на PSP информацията за състоянието на криптиране (ключове, инициализационни вектори, последователни номера и т.н.) може да се предава в TX-дескриптора на пакета или под формата на указател към паметта на хост-системата, без да заема памет на мрежовата карта. Според данни от Google преди, криптирането на RPC-трафика в инфраструктурата на компанията е изисквало около 0.7% от изчислителната мощност и голям обем памет. Внедряването на PSP чрез привлекателност на средства за хардуерно ускорение е позволило да се намали този показател до 0.2%.

Източник: opennet.ru