Google публикува разработки, свързани със защитения мрежов протокол PSP

Компания Google обяви за откритие на спецификации и еталонна реализация на протокола PSP (PSP Security Protocol), използван за криптиране на трафика между дата центровете. Протоколът използва архитектура за инкапсулация на трафика, подобна на IPsec ESP (Encapsulating Security Payloads), осигурявайки криптиране, криптографски контрол на целостта и автентикация на източника. Кодът за реализация на PSP е написан на езика C и се разпространява под лицензия Apache 2.0.

Характеристика 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 страната на мрежовите карти (offload). За прилагане на хардуерно ускорение е необходимо наличието на специални мрежови карти, съвместими с PSP. За системи с мрежови карти, които не поддържат PSP, е предложена софтуерна реализация SoftPSP.

Като транспорт за предаване на данни се използва UDP протокол. Пакетът PSP започва с IP заглавие, след което следва UDP заглавие и след това собственото PSP заглавие с информация за криптиране и автентикация. Следва съдържанието на оригиналния TCP/UDP пакет, което завършва с окончателен PSP блок с контролна сума за потвърждаване на целостта. Заглавието на PSP, както и заглавието и данните на инкапсулираният пакет винаги са автентифицирани за потвърждаване на автентичността на пакета. Данните на инкапсулирания пакет могат да бъдат криптирани, като същевременно е възможно изборно прилагане на криптиране с оставяне на част от TCP заглавието в открит вид (при запазване на контрола на автентичността), например, за да се предостави възможност за инспектиране на пакети на транзитно мрежово оборудване.

PSP не е свързан с определен протокол за размяна на ключове, предлага няколко варианта на формати 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 не представляват стойност, но е необходимо да се гарантира, че не са били подменяни по време на предаването и именно тези, които са били изпратени първоначално.

В отличие от типичните VPN-в PSP протокола се използва криптиране на ниво отделни мрежови връзки, а не на целия канал, т.е. PSP използва отделни ключове за криптиране за различни тунелирани UDP и TCP връзки. Този подход позволява по-добра изолация на трафика между различни приложения и обработващи единици, което е важно при работа с едновременно сървър приложения и услуги от различни потребители.

В Google протоколът PSP се използва както за защита на собствените вътрешни комуникации, така и за защита на трафика на клиентите на Google Cloud. Протоколът е проектиран първоначално да работи ефективно в инфраструктура на ниво Google и трябва да осигури хардуерно ускорение на криптирането в условия на милиони активни мрежови връзки и хиляди нови връзки на секунда.

Поддържат се два работни режима — „stateful“ и „stateless“. В режима „stateless“ ключовете за криптиране се предават на мрежовата карта в дескриптора на пакета, а за декриптиране се извлекуват от полето SPI (Security Parameter Index), присъстващо в пакета, с помощта на главния ключ (256-бит AES, съхранява се в паметта на мрежовата карта и се заменя на всеки 24 часа), което спестява памет на мрежовата карта и минимизира информацията за състоянието на криптираните връзки, съхранявани на страната на оборудването. В режима „stateful“ ключовете за всяка връзка се съхраняват на мрежовата карта в специална таблица, по аналогия на реализираното хардуерно ускорение в IPsec.

PSP предоставя своеобразна комбинация от възможностите на протоколите TLS и IPsec/VPN. TLS бе подходящ за Google по отношение на защитата на ниво отделни връзки, но не удовлетворяваше поради недостатъчната гъвкавост за хардуерно ускорение и липсата на поддръжка за UDP. IPsec осигуряваше независимост от протоколите и добре поддържаше хардуерното ускорение, но не поддържаше свързването на ключове с отделни връзки, беше проектиран само за ограничен брой тунели и имаше проблеми със скалируемостта на хардуерното ускорение поради съхраняването на пълното състояние на криптирането в таблици, разположени в паметта на мрежовата карта (например за обработка на 10 млн. връзки са необходими 5 ГБ памет).

В случай на PSP информация за състоянието на криптирането (ключове, вектори на инициализация, 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 в мрежовата карта. Според данни на Google, по-рано за криптиране на RPC трафика в инфраструктурата на компанията се е използвало около 0.7% от изчислителната мощност и значителен обем памет. Внедряването на PSP чрез използване на хардуерно ускорение позволи да се намали този показател до 0.2%.

Източник: opennet.ru