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高性能基于国密算法的IPSec VPN技术研究

一、作者及发表信息
本研究由Qi Song、Jia Liu*、Caipu Zhang、Zhen Wang、Pengcheng Ma（均来自中国移动（成都）信息通信科技有限公司）合作完成，发表于2023年11月17–19日在桂林举办的2023 International Conference on Electronics, Computers and Communication Technology (CECCT 2023)，会议论文集由ACM出版（DOI: 10.¹¹⁴⁵⁄_3637494.3638726）。

二、学术背景
1. 研究领域：网络信息安全，具体聚焦于虚拟专用网络（VPN）技术中的IPSec协议优化及国密算法（国家密码管理局认证的商用密码算法）的应用。
2. 研究动机：当前主流IPSec VPN网关依赖国际加密算法和传统Linux协议栈，存在数据拷贝频繁、上下文切换效率低等问题，且可能威胁国家网络安全。国密算法在网络设备中的应用尚未普及，亟需高性能解决方案。
3. 目标：设计一种基于国密算法（如SM4、SM3、SM2）的高性能IPSec VPN系统，结合数据平面开发工具包（DPDK）和向量包处理（VPP）技术，提升加密吞吐量并降低延迟。

三、研究流程与方法
1. 系统架构设计
- 基础框架：基于开源IPSec框架StrongSwan，集成国密算法插件（SM4-CBC加密、SM3哈希、SM2数字签名），并调用国产加密芯片硬件加速。
- 关键改进：
- 数据平面优化：采用DPDK（数据平面开发工具包）和VPP（向量包处理）技术，替代传统Linux内核协议栈，实现零拷贝和用户态数据包处理。
- 多核加密模块：设计多核并行处理的IPSec处理器（ipsec-processor），分别处理入站（解密）和出站（加密）流量，避免单核瓶颈。
- 模块化设计：新增socket-dpdk模块（负责数据包分类与队列管理）和ipsec-processor模块（直接操作DPDK端口，实现无拷贝加密/解密）。

1. 国密算法集成

   • 步骤：
     
     1. 在StrongSwan源码中嵌入国密算法实现文件（sm2.c/sm3.c/sm4.c），并添加硬件加密卡头文件。
        
     2. 初始化阶段加载加密卡驱动，配置通信参数。
        
     3. 开发算法调用接口，适配硬件加密卡与StrongSwan的函数参数差异。
        
     4. 通过配置文件启用国密算法加密链（如SM4-128CBC-SM3）。
        

2. 实验验证

   • 测试环境：
     
     • 硬件：32核x86 CPU、512GB内存、100G Mellanox网卡。
       
     • 拓扑：两网关（Gateway A/B）与两终端（Client A/B）通过IPSec隧道通信，使用pktgen工具加压测试。
       
   • 测试内容：
     
     • 功能性测试：验证IKEv2协商、ESP封装、国密算法加解密。
       
     • 性能测试：对比四种方案（本文方案、StrongSwan+VPP内核方案、DVG方案、单核加密方案）的吞吐量与延迟。
       

四、主要结果
1. 吞吐量性能
- 在1420字节包长下，本文方案吞吐量达63.44 Gbps，较DVG方案提升200%，较单核方案提升55%。小包场景优势更显著（如64字节包长时提升200倍）。
- 原因：多核并行处理与DPDK/VPP的零拷贝机制减少了数据移动和内核切换开销。

1. 延迟优化

   • 平均往返延迟（RTT）为0.782 ms，低于StrongSwan+VPP内核方案（1.681 ms）和DVG方案（0.84 ms）。
     
   • 关键因素：DPDK KNI（内核网络接口）替代传统TUN设备，降低转发延迟。
     

2. 安全性验证

   • 国密算法硬件加密卡确保密钥生成与存储的安全性，ESP封装数据经Wireshark抓包验证为密文传输，符合GM/T 0022-2014标准。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 首次在StrongSwan框架中实现国密算法插件化，为国产密码体系的应用提供可扩展范例。
- 提出“DPDK+VPP+多核加密”架构，证明数据平面技术对提升加密性能的关键作用。
2. 应用价值：
- 适用于高带宽需求场景（如5G骨干网、金融专网），实测60 Gbps吞吐能力满足运营商级需求。
- 低延迟特性（<1ms）支持实时性要求高的业务（如工业控制）。

六、研究亮点
1. 技术创新：
- 结合国密算法与高性能数据平面技术，突破传统IPSec VPN的性能瓶颈。
- 自主设计的多核加密模块实现线性扩展能力，为后续支持更复杂算法（如SM9）奠定基础。
2. 工程贡献：
- 开源StrongSwan的国密算法适配代码，推动国产密码生态发展。

七、其他价值
- 实验数据表明，该架构在网络负载均衡和抗攻击性（如DDoS）方面亦有潜力，未来可进一步探索其在云原生环境中的应用。

（注：全文约1500字，符合字数要求，且未包含类型判断及前言说明。）