Intel Core i5 (Clarkdale): анализ аппаратного ускорения шифрования AES – THG.RU

32-нм Intel Westmere добавляет поддержку ускорения AES: так ли она нужна?

Сегодня безопасность является важной темой – однако важной её считают, главным образом, только профессионалы. Впрочем, если безопасность становится маркетинговым элементом или превращается в характеристику производительности, то такие компании, как Intel, начинают активно её продвигать. Стандарт AES или Advanced Encryption Standard сертифицирован Управлением национальной безопасности США (NSA) и правительством США, а также многими другими органами. 32-нм двухпроцессорное поколение процессоров Intel обещает существенный прирост производительности шифрования и расшифровки AES благодаря новым инструкциям (только двуядерные процессоры Core i5). Мы решили оценить преимущества в реальной жизни и сравнили двуядерный процессор Core i5-661 с новыми инструкциями AES с четырёхъядерным процессором Core i7-870, который не имеет поддержки ускорения шифрования.

Нажмите на картинку для увеличения.

Шифрование на самом деле используется намного более интенсивно, чем обычно замечают пользователи. Всё начинается с сайтов в Интернете, которые содержат конфиденциальную информацию, такую как личные данные пользователей, либо с сайтов, где есть конфиденциальная информация о транзакциях: все они используют шифрование TLS или SSL. Такие сервисы, как VoIP, мессенджеры и электронная почта также могут защищаться таким же способом. Виртуальные частные сети (VPN, Virtual Private Network) – ещё один пример, вероятно, очень популярный. Шифрование также затрагивает и такие конфиденциальные области, как электронные платежи. Впрочем, TLS/SSL – это криптографические протоколы связи, а AES, который Intel ускоряет, начиная с нового 32-нм поколения процессоров, является стандартом шифрования общего назначения. Его можно использовать для шифрования отдельных файлов, контейнеров данных и архивов или даже зашифровывать разделы и диски целиком – будь то USB-брелок или системный жёсткий диск. AES может выполняться программно, но есть и продукты с аппаратным ускорением, поскольку шифрование и расшифровка являются довольно серьёзной вычислительной нагрузкой. Такие решения, как TrueCrypt или Microsoft BitLocker, являющийся частью Windows Vista или Windows 7 Ultimate, способны шифровать целые разделы “на лету”.

Считаете ли вы или нет, что на вашей системе есть конфиденциальные данные, зависит от того, что вы подразумеваете под этими данными, а также и от вашего персонального уровня комфорта. Кроме того, безопасность всегда подразумевает правильную стратегию и аккуратность в хранении конфиденциальных данных. Никогда нельзя оставлять без внимания такие данные, как реквизиты вашего паспорта или номер и дату окончания срока действия банковской карты. Или даже PIN-код телефона.

Одно можно сказать точно: лучше всего быть аккуратным и благоразумным, чем наоборот – тем более что для этого требуется не так много усилий. Подход Intel к добавлению ускорения AES не охватывает все приложения шифрования и сценарии, только самый популярный стандарт – при этом вы получите всё это бесплатно во всех будущих 32-нм настольных процессорах для массового рынка или для более дорогих сегментов. Но действительно ли новые инструкции AES New Instructions обеспечивают существенный прирост производительности в типичных сценариях шифрования или это, скорее, плод усилий отдела маркетинга? Давайте посмотрим.

Что такое AES?

AES расшифровывается как “Advanced Encryption Standard” – это наиболее популярный стандарт симметричного шифрования в мире ИТ. Стандарт работает с блоками размером 128 бит и поддерживает 128-, 192- или 256-битные ключи (AES-128, AES-192 и AES-256). Многие утилиты шифрования, та же TrueCrypt, поддержали алгоритм AES в самом начале его существования. Но самый большой фактор успеха AES, конечно, заключается в его принятии правительством США в 2002 году, при этом в 2003 году он был принят как стандарт для защиты секретных данных.

Шифрование данных с помощью AES

Шифрование AES базируется на системе подстановок с перестановкой, то есть над данными проводится серия математических операций, чтобы создать значительно модифицированный массив данных (зашифрованный). В качестве исходной информации выступает текст, а ключ отвечает за выполнение математических операций. Операции могут быть как совершенно простыми, например, сдвиг битов или XOR, так и более сложными. Один проход можно легко расшифровать, поэтому все современные алгоритмы шифрования построены на нескольких проходах. В случае AES это 10, 12 или 14 проходов для AES-128, AES-192 или AES-256. Кстати, ключи AES проходят такую же процедуру, что и пользовательские данные, то есть они представляют собой изменяющийся раундовый ключ.

Процесс работает с массивами 4×4 из одиночных байтов, также называемых боксами: S-box используются для подстановок, P-box – для перестановок. Подстановки и перестановки выполняются на разных этапах: подстановки работают внутри так называемых боксов, а перестановки меняют информацию между боксами. S-box работает по сложному принципу, то есть даже если единственный входной бит будет меняться, то это повлияет на несколько выходных битов, то есть свойства каждого выходного бита зависят от каждого входного бита.

Использование нескольких проходов обеспечивает хороший уровень шифрование, при этом необходимо соответствовать критериям рассеивания (diffusion) и запутывания (confusion). Рассеивание выполняется через каскадную комбинацию трансформаций S-box и P-box: при изменении только одного бита во входном тексте S-box будет модифицировать выход нескольких бит, а P-box будет псевдослучайно распространять этот эффект по нескольким S-box. Когда мы говорим о том, что минимальное изменение на входе даёт максимальное изменение на выходе, мы говорим об эффекте снежного кома.

Насколько надёжно шифрование AES?

В последнее время идёт немало обсуждений так называемых взломов, которые обходят необходимость запуска расширенного поиска методом грубой силы для нахождения правильного ключа расшифровки. Технологии, такие как атаки XSL и атаки related-key обсуждаются довольно интенсивно – но успех невелик. Единственный работающий способ взлома шифрования AES заключается в так называемой атаке побочного канала (side-channel). Для её осуществления атака должна происходить только на host-системе, на которой выполняется шифрование AES, и при этом вам необходимо найти способ получения информации о синхронизации кэша. В таком случае можно отследить число тактов компьютера до завершения процесса шифрования.

Конечно, всё это не так легко, поскольку вам требуется доступ к компьютеру, причём достаточно полный доступ для анализа шифрования и права на выполнения кода. Теперь вам наверняка понятно, почему “дыры” в системе безопасности, которые позволяют злоумышленнику получить такие права, пусть даже они звучат совершенно абсурдно, необходимо закрывать как можно быстрее. Но не будем растекаться мыслью по древу: если вы получите доступ к целевому компьютеру, то извлечение ключа AES – дело времени, то есть уже не трудоёмкая задача для суперкомпьютеров, требующая огромных вычислительных ресурсов.

AES внутри Intel

На данный момент интегрированные в CPU инструкции AES начинают иметь смысл – независимо от возможных преимуществ по производительности. С точки зрения безопасности процессор может обрабатывать инструкции AES в инкапсулированном виде, то есть ему не требуются какие-либо таблицы преобразования, необходимые для атаки методом побочного канала.

Core i5 Clarkdale с поддержкой AES

Нажмите на картинку для увеличения.

Мы уже опубликовали несколько весьма полных обзоров новой линейки двуядерных процессоров Intel, в которых вы можете узнать всё, что необходимо о последних 32-нм процессорах компании.

• “Intel Core i5-661: тесты нового процессора на дизайне Clarkdale“;
• “Intel Mobile Core i7, i5 и i3 (Arrandale): новые процессоры для ноутбуков “;
• “Intel Core i3 и i5: тесты эффективности новых двуядерных процессоров“.

Процессоры на самом деле знаменую собой смену поколений, поскольку при этом не только происходит переход на следующий техпроцесс (32 нм по сравнению с 45 нм), но перед нами и первое поколение CPU с поддержкой нескольких инструкций, ускоряющих шифрование. Intel упоминает добавку как AES New Instructions. Они состоят из четырёх инструкций для шифрования AES (AESENC, AESENCLAST) и расшифровки (AESDEC, AESDECLAST) плюс ещё две инструкции для работы с ключом AES (AESIMC, AESKEYGENASSIST). Как и раньше, инструкции относятся к SIMD, то есть к типу “одна инструкция много данных” (Single Instruction Multiple Data). Поддерживаются все три ключа AES (128, 192 и 256 битов с 10, 12 и 14 проходами подстановки и перестановки).

Поскольку все инструкции AES имеют фиксированную задержку, не зависящую от данных, то есть время фиксированное и доступ к памяти не требуется. Кроме того, модель программирования такая же, как и в случае других инструкций SSE из первоначального стандарта SSE4. Таким образом, все операционные системы, которые поддерживают работу с SSE, смогут использовать и инструкции AES New Instructions.

Будьте осторожны при выборе процессора с ускорением AES, поскольку сегодня лишь немногие модели поддерживают новые инструкции. 32-нм процессоры Core i3 на Clarkdale не поддерживают инструкции, а двуядерная линейка Core i5-600 – поддерживает. У мобильных процессоров ситуация чуть более сложная: если мобильные процессоры Core i3 тоже не поддерживают ускорение AES, то процессоры линейки Core i5-500 уже поддерживают. Однако есть одна модель Core i5-400, лишённая таковой поддержки. Всё было бы гораздо проще, если бы Intel добавила поддержку новых инструкций во все модели.

Тестовая конфигурация

Тесты и настройки

Основной конкурент для нашего обзора: четырёхъядерный процессор Intel Core i7-870 для LGA 1156. Нажмите на картинку для увеличения.

Новая и эффективная: материнская плата MSI H55M-ED55. Нажмите на картинку для увеличения.

Результаты тестов

SiSoftware Sandra 2009 SP3

Тесты ALU и MFLOPS не дали каких либо сюрпризов: четырёхъядерный процессор почти в два раза быстрее, несмотря на меньшую тактовую частоту – как мы и ожидали.

Впрочем, результат теста шифрования совершенно иной: он говорит о том, что процессор Core i5 Clarkdale с ускорением AES до 3x быстрее четырёхъядерного Core i7-870.

Именно поэтому результаты теста шифрования выглядят так хорошо: чистое шифрование AES-256 выполняется более чем в шесть раз быстрее на двуядерном процессоре с аппаратным ускорением.

Тест шифрования SHA-256 доказывает, что данная функция ускоряет только алгоритм AES.

PCMark Vantage Communications Test

Тест PCMark Vantage сообщает нам ровно то же самое: общий результат пакета Communications на 50% быстрее на новом 32-нм двуядерном процессоре Clarkdale по сравнению с 45-нм четырёхъядерным Lynnfield.

А вот и причина.

Опять же: Intel ускорила только алгоритм AES. Сжатие данных от этого не выигрывает, скорость зависит от числа ядер и тактовой частоты.

Расшифровка алгоритма AES тоже довольно сильно ускоряется.

Перед вами ещё один тест, в котором двуядерный Clarkdale Core i5 хорошо показывает себя благодаря поддержке AES.

Bitlocker, Everest и WinZIP 14

Мы использовали функцию шифрования диска BitLocker, встроенную в операционную систему Windows 7 Ultimate, которая тоже базируется на AES. Чтобы не упереться в “узкое место” в виде накопителя, мы решили использовать 330-Мбайт RAM-диск, который сможет показать разницу в производительности между двуядерным Core i5-661 с ускорением AES против четырёхъядерного Core i7-870, который не поддерживает ускорение шифрования. Фактически, разница оказалась близка к 50%, шифрование заняло 7 секунд на мощном четырёхъядерном Core i7, а новый 32-нм двуядерный Core i5-661 справился с той же самой задачей всего за 4 секунды.

Тест шифрования AES в пакете Everest Ultimate Edition демонстрирует фантастический прирост производительности, впрочем, это всё равно остаётся больше теоретическим результатом.

Несмотря на поддержку AES, тест WinZIP 14 выполнялся быстрее на четырёхъядерном процессоре из-за большей мощности. Впрочем, двуядерный процессор с аппаратным ускорением AES всё ещё показал себя хорошо, проиграв только по той причине, что мы указали максимальный уровень сжатия. Мы выбрали подобный режим, поскольку большинство пользователей выберут именно его, если только нет каких-либо причин уменьшить уровень сжатия (например, чтобы быстрее запаковать большой массив данных).

Мы повторили этот тест с шифрованием AES в WinZIP, но уровень сжатия был нулевым – то есть WinZIP просто переписывал файлы в архив. И здесь мы видим, что двуядерный процессор с ускорением AES действительно обгоняет четырёхъядерную модель, где такой функции нет.

7-zip

Мы используем тест сжатия файлов, запускаемый из командной строки, и вновь видим, что четырёхъядерный процессор работает быстрее. Опять же, причина кроется в высоком уровне сжатия. Мы повторили тест с нулевым уровнем сжатия файлов.

В данном случае мы видим мало толку от Core i5-661 и встроенной функции AES. Время добавления файлов в архив составляет одну пятую часть от времени при высоком уровне сжатия, но четырёхъядерный процессор всё равно выходит вперёд.

Как вы можете видеть, на следующих диаграммах, большее число потоков приводят к увеличению производительности 7-zip.

Заключение

Наш анализ дал несколько интересных результатов, но также и показал, что не все приложения сразу же могут выиграть от шести новых инструкций Intel AES New Instructions, которые были разработаны для ускорения шифрования и расшифровки алгоритмов AES-128, AES-192 и AES-256. Мы вкратце рассмотрели, как работает стандарт симметричного шифрования, и почему он имеет значение и для обычных пользователей. Результаты тестов показали весьма серьёзную производительность двуядерного Core i5-661 Clarkdale, который мы сравнивали с четырёхъядерным Core i7-870. Тесты PCMark Vantage и SiSoftware Sandra показали впечатляющий прирост производительности из-за аппаратного ускорения AES. Результаты Everest Ultimate очень похожи.

Впрочем, все упомянутые тестовые пакеты являются синтетическими, то есть они обычно демонстрируют большую разницу, чем можно увидеть в обычной жизни. По этой причине мы также провели тесты архиватора 7-zip 9.1 Beta, BitLocker под Windows 7 Ultimate и WinZIP в последней версии 14, чтобы проверить, какие преимущества мы получим в реальных приложениях. Надо сказать, мы не разочаровались: WinZIP 14 и Bitlocker давали результаты, которые практически повторили выигрыш, полученный в синтетических тестовых пакетах.

Но тест архиватора 7-zip 9.1 beta, который должен поддерживать новые инструкции ускорения AES, не показал заметного преимущества – или оно было слишком маленьким, уступив высокой вычислительной мощности четырёхъядерного Core i7-870, работающего на частоте 2,93 ГГц, что довольно близко к номинальной тактовой частоте 3,33 ГГц у Core i5-661.

В итоге мы можем подтвердить, что подход Intel действительно себя оправдал, хотя нельзя сказать, что всё программное обеспечение, использующее AES, ускоряется. Впрочем, преимущества по более надёжной защите остаются, поскольку аппаратное ускорение шифрования и расшифровки AES предотвращает возможность атаки методом побочного канала, когда ключ AES извлекается путём отслеживания участков доступа к памяти (кэша). Так что наш вывод будет простым: мы ждём, когда новые инструкции станут стандартом всех процессоров.