王豪杰：PHYSec安全加密技术及在智算中心的应用

演讲人：王豪杰演讲单位：中国移动研究院 目录 01Chapter one 场景与安全需求 工业和信息化部关于工业大数据发工业和信息化领域数据安全管理办 网络攻击日渐频繁，无处不在!在Internet上每天有超过1亿次的网络攻击，每秒超1000次以上的攻击发生。攻击者企图访问用户个人或组织的信息数据，没有一家公司能幸免网络安全等级保网络数据安全管 全球100多个国家已对数据安全提出要求；中国、英国、德国、欧盟相继颁布网络安全法案，要求通信网络确保数据传输安全 用户入算上载样本数据、算内及算间训练生成模型及参数、下载训练后的模型及参数，涉及敏感数据的频繁交互，存在泄露、窃听的风险 算内网络 入算网络 算间网络 ②数据转移：存储节点直接(对象文件)，需确保样本数据安全③数据读取：计算节点访问文件存储节点(读)，需确保样本数据安全④归档写回：计算节点访问文件存储节点(写)，需确保模型与参数安全⑤模型复制：存储节点直接(文件对象)，需确保模型与参数安全 ①数据上传：端到端安全加密,确保样本数据安全⑥模型下载：端到端安全加密,确保模型框架、参数安全 ⑦参数传递：端到端安全加密,确保模型框架、参数安全 智算中心内实现网络安全机制的从无到有，入算网络和算间网络实现安全防护能力的由低到高；面向算内、入算和算间的不同诉求，研究合适的安全加密机制 算内关键诉求：•AI模型架构、参数核心资产的 算间关键诉求：•数据与协议安全，防窃听 存储、使用安全关键能力：•低时延、高吞吐、低开销安全，不占用算力，不影响算效 上述智算中心网络场景的底层承载网络主流技术是以太网，为了应对上述日益严峻的数据安全挑战，须对以太网提供安全认证、密钥管理以及数据加解密能力，构筑以太网安全机制，为新型智算中心提供安全数据传输能力 02Chapter one 现有技术分析 智算中心采用CLOS组网来满足日益增长的转发规模需求，通用性有明显优势。智算中心的AI典型Leaf-Spine组网，ALL-TO-ALL通讯，100GE/400GE/800GE接口，1K计算节点(32×32) 劣势 优势 •可以实现计算节点与计算节点，计算节点与存储节点，存储节点与存储节点之间的安全加密 •TLS逐包增加21B开销，RDMASec逐包增加40B开销，IPSec逐包增加48B开销 •须升级硬件支持：•在AI计算场景下，将TLS/IPSec/PSP安全加密功能卸载到硬件，需要Server硬件支持 •管控复杂O：N台Server ü全网需维护安全连接（SA会话）ü每连接1对密钥，全网管理维护2×个密钥 •静态时延增加超30%：ü以4 Hops为例，server-to-server典型静态链路 时延≈.ü考虑TLS/RDMASec/IPSec加解密时延最优性能1μs，静态时延增加=/.≈% 优势智算中心内采用MACSec链路级安全加密方案*，服务器间实施典型的ALL-TO-ALL通讯方案；MACSec在管控复杂度有改进，但10多年前主要面向传统园区设计，时延开销无法满足智算时代需求 •管控复杂度低üServer-TOR, TOR-Spine, Spine-Core部署MACSec，全 劣势 网维护=44N安全连接（SA会话） •带宽开销增加至少32字节：•对64B包而言，逐包开销增加超30% •在AI计算场景下，须将MACSec安全加密功能卸载到硬件，需要Server升级硬件支持，需要交换机升级硬件支持 •静态时延增加32%：4 Hopsü以4 Hops为例，Server-to-server典型静态时延 ≈.üServer-to-server使能MACSec时典型静态时延≈3.77ü静态时延增加= 3.77−2.85/2.85≈32% 设定新安全性能目标，兼顾成本、代价方面，探索智算时代的以太网安全新机制 üServer-to-Server端到端时延每降低1us，有效算力线性度提升3% •竞争分析：智算中心最关注算效，通讯时延*对算效影响大 03Chapter one PHYSec技术思路 •探索新层次：网络安全的思想是把密码学技术应用到网络的不同层次；在智算时代，是完善传统安全机制还是探索“更底层的加解密技术”，解决现有技术方案的安全漏洞与性能瓶颈？ •RDMASec在IPSec和TLS基础上优化，基于硬件实现，优势是能够降低部分时延，但功耗、成本较高，时延仍然影响算效；PHYSec在以太网物理层实现加解密，避免两次背靠背转换，具有极低时延、更低功耗和成本等优势 基于“比特流”加密的L1层PHYsec在光模块内实现Encryption/Decryption功能 R兼容性：PHYSec技术方案在以太网物理层实现，须兼容IEEE802.3以太物理层标准，不影响标准规范的功能与协议 •关闭PHYSec，所有功能即原以太网物理层规范的功能；•开启PHYSec，PCS或PMA层无感知，PHYSec不修改与上下子层的接口；•不修改或占用已有功能协议及协议承载方案，避免后向兼容问题（原有功能未来演进可能会改变既有的使用方式、频率） R互通性：同一层次方案，要求技术与协议一致，满足互联互通要求。协议承载方案，要求少占用或不占用业务带宽 •PHYSec原则上可支持通道、链路不同层次的技术方案，类似MACSec（802.1AEbw-2013 for port，802.1AEcg-2017 for channel），实施部署载体可以是PHY接口，也可是光模块或其他载体 R一致性：PHYSec原则上要求采用一套解决方案和协议。协议的承载方式可以根据PHY逻辑子层的要求变化，但要求遵循前述兼容性、互通性 •对于IEEE802.3标准规范的100G/200G/400G/800G/1.6T以太接口，物理层及PHY各逻辑子层技术方案虽有差别，但都基于64/66B码块、virtual lane实现，提供了实现方案的一致性基础 04Chapter one 总结与展望 目标：在以太网物理层实现低开销、低时延、易配置、易部署的数据安全方案 TBD： 1、在新的层次定义加密解密对象，定义帧结构和协议，与上下游生态企业达成共识 2、新机制如何实现接近0的低开销，尽量不占用用户带宽 3、新机制如何实现ns级的时延，基本不影响智算中心的算效？ 4、新机制如何保证加解密协议参数的可靠传递，不发生错误