摘要：隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，網(wǎng)絡通信正在更高速、更廣泛地滿足各行業(yè)的應用；但是近年來各種網(wǎng)絡安全事件頻發(fā)，數(shù)據(jù)安全及通信安全越來越受到重視，《密碼法》也于今年正式頒布實施。因此，密碼技術在網(wǎng)絡通信中也需要不斷深化應用，但是由于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡高速發(fā)展帶來的更大的數(shù)據(jù)帶寬、對傳輸可靠性的更高要求以及網(wǎng)絡的自身開放性的特點，如何將更高速的加密技術應用到數(shù)據(jù)通信中去，也是一個需要持續(xù)關注的課題。

　　近些年不斷爆發(fā)的網(wǎng)絡安全事件、商業(yè)信息以及個人信息泄露等都對社會和經(jīng)濟發(fā)展造成了極大的危害；隨著去年頒布、今年實施的《密碼法》等法規(guī)的不斷出臺，社會各種層面都展現(xiàn)對應用密碼技術來保證網(wǎng)絡通信及數(shù)據(jù)安全的重視。

　　另外，隨著信息技術的高速發(fā)展，IT和CT的快速融合，以及5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術的持續(xù)推進，從物聯(lián)網(wǎng)終端、個人移動通信，到企事業(yè)辦公、國計民生重要應用，網(wǎng)絡通信的應用范圍在不斷擴大，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量也在飛速增加。

　　因此隨著網(wǎng)絡帶寬的高速增長，數(shù)據(jù)安全應用對密碼技術的性能提升也同步提出更高要求。高速密碼技術結合網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)安全的應用也在不斷深化，共同來保障各行業(yè)對網(wǎng)絡通信的快速、安全、穩(wěn)定、可靠等高質量的需求。本文將通過分析當今網(wǎng)絡通信中的安全風險及面臨的新挑戰(zhàn)，結合已有安全方法和創(chuàng)新的高速密碼技術，簡要闡明在用戶數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中應用高速密碼技術的實踐方法，滿足日益增長的用戶數(shù)據(jù)安全需求。

　　1  網(wǎng)絡通信中的主要數(shù)據(jù)以及面臨的主要安全風險

　　1.1　網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)分類

　　網(wǎng)絡通信中的數(shù)據(jù)，大致可分為兩類：

　?。?1 ） 網(wǎng)絡管理類協(xié)議報文，首先是各類路由協(xié)議如BGP（Border Gateway Protocol，邊界網(wǎng)關協(xié)議）、OSPF（Open Shortest Path First，開放最短路徑優(yōu)先），這些協(xié)議交互路由信息，指導網(wǎng)絡用戶數(shù)據(jù)的轉發(fā)；然后是各類網(wǎng)絡管理協(xié)議，如SNMP（Simple Network Management Protocol，簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）、SSH（Secure Shell，安全外殼）、Telnet（Telecommunications Network，遠程登錄協(xié)議）等，主要提供用戶管理、登錄網(wǎng)絡設備等進行的網(wǎng)絡管理能力。這些協(xié)議類的數(shù)據(jù)，關系著用戶網(wǎng)絡的實際運行，必須是要首先通過密碼技術做有效保護。

　?。?2 ） 網(wǎng)絡用戶業(yè)務類數(shù)據(jù)報文，主要是用戶實際運行的業(yè)務，如視頻業(yè)務、5G通信業(yè)務、互聯(lián)網(wǎng)訪問業(yè)務、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務等。這些數(shù)據(jù)是用戶實際生產(chǎn)、生活中可直觀感受到的信息，其安全保護也同樣受到特別的重視。

　　這兩類主要數(shù)據(jù)，都切實關系著用戶實際業(yè)務的安全與穩(wěn)定運行。其中協(xié)議報文數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量小，在現(xiàn)有的低速密碼技術上都可以實現(xiàn)保護；而對于業(yè)務類數(shù)據(jù)，由于網(wǎng)絡規(guī)模擴大，低速密碼技術已經(jīng)成為掣肘，亟待更高速的密碼技術方法來匹配網(wǎng)絡安全需求。

　　1.2　網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的安全風險

　　由于網(wǎng)絡通信自身的開放性、互聯(lián)性等特點，并且大量數(shù)據(jù)需要在公有網(wǎng)絡中傳輸，隨著網(wǎng)絡應用的不斷豐富，網(wǎng)絡覆蓋范圍的不斷擴大，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳遞的各環(huán)節(jié)都將可能遭受到不同的安全威脅。

　　網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)安全風險主要包括以下幾種情況，分別如圖1所示：

　?。?1 ） 中斷，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在傳遞過程中被攻擊丟棄。

　　（ 2 ） 截獲，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在傳遞過程中被復制。

　?。?3 ） 篡改，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在傳遞過程中被截獲并修改。

　　（ 4 ） 偽造，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)來自于偽造的發(fā)送端。

　　圖1  數(shù)據(jù)通信中的安全風險

　　從原因上來分析，主要威脅數(shù)據(jù)安全的因素包括：

　?。?1 ） 網(wǎng)絡管理原因。在通信管理層面，路由發(fā)布等協(xié)議數(shù)據(jù)要確保安全可靠，防止出現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳遞中斷、截獲等。

　?。?2 ） 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)原因。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在傳遞過程中，未做有效加密保護，也易出現(xiàn)被截獲、篡改等。

　?。?3 ） 網(wǎng)絡架構原因。網(wǎng)絡由于其靈活開放和易接入性，在設計時未考慮到在架構層面的系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，未能確保網(wǎng)絡用戶的安全可靠接入，也容易出現(xiàn)被私接、冒接入等，出現(xiàn)偽造網(wǎng)絡數(shù)據(jù)等。

　　因此，在整個網(wǎng)絡架構中，所有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的發(fā)送方與其接收方之間，構建安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，是高速密碼技術在數(shù)據(jù)安全中要解決的主要問題。

　　1.3　網(wǎng)絡通信安全面臨的挑戰(zhàn)

　　根據(jù)上述網(wǎng)絡通信中數(shù)據(jù)的分類情況，以及數(shù)據(jù)安全的風險，結合當前數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀，主要有以下挑戰(zhàn)急需通過完善技術方案來解決。

　　（ 1 ） 數(shù)據(jù)安全保護。利用主流的密碼技術，通過IPSec（IP Security，IP安全）隧道等方式， 建立發(fā)送方和其接收方之間的安全通道。

　　（ 2 ） 更高速的密碼技術。隨著網(wǎng)絡規(guī)模不斷增大，網(wǎng)絡中傳遞的和待保護的數(shù)據(jù)量也不斷增長，對如何利用軟硬件創(chuàng)新技術實現(xiàn)密碼算法的更高效功能提出更高要求。

　?。?3 ） 便捷的部署。隨著網(wǎng)絡規(guī)模擴大，接入網(wǎng)絡的用戶量也突飛猛進，如何快速部署網(wǎng)絡、簡化新用戶接入、增加網(wǎng)絡運維效率，也是一項挑戰(zhàn)。

　　只有通過技術層面實現(xiàn)更高速的密碼技術來保護數(shù)據(jù)安全，同時在網(wǎng)絡架構層面提供高效的安全部署方法，才能有效滿足當今數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中對高速安全應用的需求。

　　2  網(wǎng)絡通信中保護數(shù)據(jù)安全的方法

　　網(wǎng)絡通信的數(shù)據(jù)進行加密保護，需要使用密碼技術。目前國內外商用密碼算法已經(jīng)發(fā)展成熟，相關密碼技術從業(yè)者也一直致力于通過硬件芯片實現(xiàn)高性能的高速密碼技術，來滿足網(wǎng)絡通信高可靠、低延時、大數(shù)據(jù)量的要求。用戶網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)中的協(xié)議類報文數(shù)據(jù)量小，但對交互的優(yōu)先級、實時性、安全性要求更高；而數(shù)據(jù)類報文數(shù)據(jù)量大，業(yè)務種類復雜，特別是隨著4K/8K、AR/VR及短視頻、云應用的不斷普及與深化，對帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)的低速10M/100M連接方式已經(jīng)完成不了業(yè)務及應用的需要，更需要1G/10G乃至100G骨干接入技術、數(shù)據(jù)中心更需要400G乃至800G的接入技術，而只有更高性能的數(shù)據(jù)加密技術才能滿足當今網(wǎng)絡突飛猛進的發(fā)展，否則，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全上，密碼技術本身將成為制約網(wǎng)絡通信快速發(fā)展的瓶頸。

　　2.1　創(chuàng)新高速密碼技術

　　當前網(wǎng)絡通信設備上，主流的商用密碼技術性能還集中在5Gbps及以下的中低速數(shù)據(jù)加密；通過發(fā)揮硬件性能，提升軟硬件交互方法，一種創(chuàng)新的高速密碼技術已將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)商用密碼加密性能提升到50Gbps以上 , 能較好地滿足各行業(yè)核心用戶對高速通信數(shù)據(jù)安全的應用。

　　該高速密碼技術主要在硬件層面通過FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）等可編程硬件來實現(xiàn)，利用硬件高性能算法核以及流水線操作，可以較好突破原有使用軟件算法受限于CPU處理能力、加密業(yè)務與網(wǎng)絡通信業(yè)務互相搶占系統(tǒng)資源等限制。簡要原理如圖2所示。

　　圖2  數(shù)據(jù)通信路由器高速密碼技術實現(xiàn)

　　創(chuàng)新的高速密碼技術實現(xiàn)，將網(wǎng)絡通信路由器原有轉發(fā)單元和商用密碼高速算法單元集成在同一路由器系統(tǒng)中，統(tǒng)一調度網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的轉發(fā)和加密。兩者之間通過雙路PCIE接口互聯(lián)， 并由轉發(fā)單元完成其負載均衡調度，實現(xiàn)兩路FPGA的協(xié)同處理，有效的保證整機系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的效率和速率。

　　商用密碼算法單元內部集成了雙路高性能FPGA芯片。每路FPGA芯片獨立掛載多個SM3算法核心和SM4算法核心。同時為了進一步發(fā)揮FPGA芯片的計算性能，F(xiàn)PGA內部采用異步處理流水線操作以及內存處理優(yōu)化技術，最大化的利用所有算法核心，使所有核心可以同時滿負荷工作，從而達到高速加解密性能。

　　通過當前的研發(fā)與性能調優(yōu)，可以實現(xiàn)更高速密碼處理性能，如表1所示：

　　表1  高速密碼技術性能提升數(shù)據(jù)

　　2.2　端到端隧道技術

　　網(wǎng)絡通信通過端到端的隧道技術，可以簡化網(wǎng)絡架構，同時提供更高的安全性和加密處理能力。網(wǎng)絡關鍵節(jié)點之間，建立端到端IPSec隧道，提供網(wǎng)絡數(shù)據(jù)可靠傳輸；中間設備只需簡單IP路由轉發(fā)，不參與數(shù)據(jù)密碼加密。IPsec是一種傳統(tǒng)的實現(xiàn)三層VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)絡）的安全技術。

　　在典型的網(wǎng)絡通信應用中，各網(wǎng)絡通信主要節(jié)點間（如企業(yè)分支與總部之間、企業(yè)分支與分支之間等）通過各自的IPSec網(wǎng)關設備建立端到端IPSec隧道，實現(xiàn)用戶網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在公用互聯(lián)網(wǎng)上的安全連接。目前根據(jù)用戶需求，主要會應用三種組網(wǎng)方式：

　　（ 1 ） IPSec Tunnel，網(wǎng)關設備之間直接建立IPSec隧道，對數(shù)據(jù)進行加密保護。

　?。?2 ） L2TP over IPSec Tunnel，網(wǎng)關設備之間的數(shù)據(jù)先進行L2TP（Layer2 TunnelingProtocol，二層隧道協(xié)議）封裝，再通過密碼技術做IPSec數(shù)據(jù)加密保護。使用L2TP技術，在分支和總部之間通過LAC/LNS（L2TP Access Concentrator/Network Server，L2TP訪問集中器/網(wǎng)絡服務器）認證策略，可以有效控制非法用戶的接入，提高網(wǎng)絡可靠性。

　?。?3 ） GRE over IPSec Tunnel，網(wǎng)關設備之間的數(shù)據(jù)先進行GRE（Generic Routing Encapsulation，通用路由封裝）封裝，再通過密碼技術做IPSec數(shù)據(jù)加密保護。該組網(wǎng)能適應更廣泛的用戶網(wǎng)絡類型，如廣域網(wǎng)POS（Packet over Synchronous Optical Network，同步光網(wǎng)絡承載數(shù)據(jù)包）接入、MPLS（Multiprotocol Label Switching，多協(xié)議標簽交換）接入等。

　　如圖3所示，在企業(yè)路由器網(wǎng)關之間，可通過創(chuàng)建端到端的IPSec隧道，應用高速密碼技術，完成數(shù)據(jù)的加解密處理，保證網(wǎng)絡不同節(jié)點之間，通過端到端的高速密碼隧道，實現(xiàn)大帶寬、高可靠的數(shù)據(jù)安全傳遞；同時可結合實際應用，使用不同的協(xié)議承載到IPSec隧道上。

　　圖3  數(shù)據(jù)通信中端到端IPSec隧道的應用

　　2.3　自動隧道技術

　　隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術的持續(xù)應用，網(wǎng)絡規(guī)模也在快速擴大，通過原有端到端配置用戶IPSec隧道的加密算法、認證算法、兩端地址等方法建立手工隧道，增加了大型網(wǎng)絡運維的成本和難度。因此對用戶網(wǎng)絡能快速建立基于密碼技術的端到端隧道提出更高要求。

　　通過ADVPN（Auto Discovery Virtual Private Network，自動發(fā)現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)絡）技術，可以在企業(yè)各分支和總部機構間使用動態(tài)地址接入到互聯(lián)網(wǎng)并自動建立端到端隧道，同時在隧道上引用IPSec策略，實現(xiàn)利用高速密碼技術對用戶業(yè)務數(shù)據(jù)進行加密。

　　ADVPN是一種基于VAM（VPN Address Management，VPN地址管理）協(xié)議的動態(tài)VPN技術。一般應用中，企業(yè)總部網(wǎng)關作為HUB設備，是局域網(wǎng)中路由等信息交換的中心，分支網(wǎng)關作為Spoke設備。各Hub和Spoke設備作為Client向VAM Server提交身份信息，安全檢查通過后，Hub和Spoke之間可自動建立ADVPN 隧道，同時可在隧道上應用IPSec策略，通過密碼技術進一步保證企業(yè)網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的安全傳遞。

　　如圖4所示，在企業(yè)總部和分支之間利用ADVPN隧道，主動創(chuàng)建IPSec密碼技術隧道，可有效簡化網(wǎng)絡運維。

　　圖4  ADVPN隧道技術在數(shù)據(jù)通信中應用

　　3  密碼技術在網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)安全中的典型應用

　　新華三技術有限公司路由器產(chǎn)品線一直致力于企業(yè)網(wǎng)、運營商網(wǎng)絡等安全可靠研究，并通過與業(yè)界領先的密碼技術提供商緊密合作，緊跟國家政策導向要求，不斷豐富自身產(chǎn)品線中對商用密碼算法的支持和性能提升。目前新華三路由器產(chǎn)品，涵蓋中低端路由器的低速加密技術，和高端核心路由器的高速加密技術，在業(yè)界率先實現(xiàn)整套網(wǎng)絡的商用密碼多層級、多性能場景滿足，并利用新華三路由器在行業(yè)網(wǎng)、運營商的多年積累，不斷豐富商用密碼技術的網(wǎng)絡應用場景。

　　3.1　中小型企業(yè)扁平化分層網(wǎng)絡應用

　　當前網(wǎng)絡通信的架構設計正在逐步向扁平化過渡，該結構層次劃分簡單清晰，對于網(wǎng)絡維護、數(shù)據(jù)安全的部署都帶來便利。對于中小型企業(yè)網(wǎng)絡，由于用戶規(guī)模相對少，且內部數(shù)據(jù)流量帶寬相對小，因此網(wǎng)絡設計是建立二級扁平化分層，在企業(yè)分支和總部之間直接建立IPSec隧道或自動ADVPN/IPSec隧道。通過二級扁平化分層，能在中小型網(wǎng)絡中，快速有效地建立數(shù)據(jù)安全隧道，同時也簡化了企業(yè)總部對各分支網(wǎng)絡設備的維護復雜度，以更低的成本實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)通信的安全需求。如圖5所示。

　　圖5  中小型網(wǎng)絡中的密碼技術應用

　　企業(yè)分支網(wǎng)關采用中低端接入路由器，根據(jù)自身分支局域網(wǎng)內數(shù)據(jù)安全的要求（加密性能、效率等）選擇中低速密碼設備，而企業(yè)總部部署高端核心路由器并支持高性能密碼技術數(shù)據(jù)加密，對分支與總部之間、分支與分支之間經(jīng)總部的數(shù)據(jù)流量進行高效加密，保證整個企業(yè)內部數(shù)據(jù)安全。

　　3.2　大型企業(yè)扁平化分層網(wǎng)絡應用

　　對于大型企業(yè)網(wǎng)絡，由于用戶規(guī)模大，分支機構眾多，內部數(shù)據(jù)流量大，并且網(wǎng)絡數(shù)據(jù)一般呈現(xiàn)地區(qū)內交互量大，而地區(qū)間交互相對少，因此網(wǎng)絡設計時，按照地區(qū)層級對網(wǎng)絡架構按分支、地區(qū)、總部三級層次規(guī)劃。通過三級層次規(guī)劃，將自動安全隧道的創(chuàng)建范圍以區(qū)域方式管理，在區(qū)域內部，可以有效利用中小型網(wǎng)絡二級層次劃分的快速高效的特點；而在企業(yè)總部，重點維護跨區(qū)域的數(shù)據(jù)安全需求。通過層次劃分，可以有效減輕企業(yè)總部的安全加密壓力，同時對企業(yè)區(qū)域內的數(shù)據(jù)安全管理也能更加高效。

　　企業(yè)分支與該地區(qū)的出口路由器之間組成Hub- Spoke組網(wǎng)，建立端到端的ADVPN/IPSec隧道，網(wǎng)絡結構類似于中小型扁平化分層網(wǎng)絡。而在各地區(qū)出口網(wǎng)關與企業(yè)總部之間，是第二層的Hub-Spoke組網(wǎng)，建立新的端到端ADVPN/IPSec隧道。如圖6所示。

　　圖6  大型網(wǎng)絡中的密碼技術應用

　　在大企業(yè)三級扁平化網(wǎng)絡中，地區(qū)總部路由器處理該地區(qū)內多個分支間以及與地區(qū)總部網(wǎng)關的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密。而對于分支節(jié)點到企業(yè)總部之間的數(shù)據(jù)安全，由地區(qū)總部網(wǎng)關做兩段IPSec 隧道的加解密，先對來自分支的加密隧道數(shù)據(jù)進行解密，再根據(jù)與企業(yè)總部之間的隧道密碼要求，重新對數(shù)據(jù)加解密，交由企業(yè)總部處理。因此，在地區(qū)總部和企業(yè)總部都需要部署高端核心路由器設備，支持高速密碼技術數(shù)據(jù)加密，以保證企業(yè)整個網(wǎng)絡中高帶寬的數(shù)據(jù)量加解密。

　　3.3　寬帶準入認證的網(wǎng)絡應用

　　為了進一步滿足當前寬帶準入認證的網(wǎng)絡實際使用，可以將運營商或園區(qū)網(wǎng)中廣泛使用的 BRAS（Broadband Remote Access Server，寬帶遠程接入服務器，L2TP即為一種網(wǎng)絡接入方法） 技術與密碼安全技術綜合應用，通過BRAS技術來完成用戶接入網(wǎng)絡的AAA（Authentication Authorization Accounting，認證、授權、計費）安全功能，確?？尚庞脩舻木W(wǎng)絡接入和訪問權限。同時融合IPSec密碼技術對數(shù)據(jù)的高速加密，保證用戶接入認證的管理協(xié)議報文、訪問互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務數(shù)據(jù)報文都是安全可靠的，從而從網(wǎng)絡架構到網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)各層面確保通信網(wǎng)絡的安全。

　　如圖7所示，比較典型的應用就是L2TP over IPSec Tunnel。企業(yè)分支各終端設備（PC、移動設備、啞終端等）通過分支局域網(wǎng)接入分支網(wǎng)關，分支網(wǎng)關作為LAC設備，對相關認證協(xié)議報文、數(shù)據(jù)報文做L2TP封裝，然后再通過LAC和LNS之間的端到端 ADVPN/IPSec 隧道進行加密，最終由企業(yè)總部的網(wǎng)關設備解密并根據(jù)L2TP報文類型選擇進一步處理，認證協(xié)議報文則將與AAA/Radius（Remote Authentication Dial In User Service，遠程用戶撥號認證系統(tǒng)）服務器交互完成認證，數(shù)據(jù)訪問流量則由網(wǎng)關設備交由運營商互聯(lián)網(wǎng)。目前新華三高端核心路由器可以同時支持 BRAS 接入功能和高速密碼技術，在寬帶準入認證的應用場景下，部署于企業(yè)分支和總部，能高效解決網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的高速加密技術，提升網(wǎng)絡的安全性。

　　圖7  帶準入認證的企業(yè)網(wǎng)絡通信密碼技術應用

　　4  結語

　　加密技術提供了一種保證數(shù)據(jù)安全的有效方法，而在網(wǎng)絡通信中，結合網(wǎng)絡架構、準入安全等網(wǎng)絡設計方法，能進一步提升系統(tǒng)安全性，保證用戶網(wǎng)絡數(shù)據(jù)可靠。當前通過硬件設備實現(xiàn)的高速密碼技術，將網(wǎng)絡單機商用密碼加密性能提升到50Gbps，但是隨著網(wǎng)絡通信、5G、物聯(lián)網(wǎng)等的繼續(xù)高速發(fā)展，數(shù)據(jù)帶寬已在逐步從10Gbps往100Gbps甚至400Gbps/800Gbps更高帶寬方向發(fā)展，需要更進一步通過軟硬件、網(wǎng)絡架構及新技術方法提升高速密碼能力，如何將網(wǎng)絡單機商用密碼加密性能提升到100Gbps乃至400Gbps將是一個需要持續(xù)研究的課題。