近年來，RISC-V 不斷在各個(gè)應(yīng)用場景落地，在各種真實(shí)應(yīng)用場景中，安全一直是離不開的一個(gè)話題。加密、認(rèn)證、哈希、校驗(yàn)正逐步成為系統(tǒng)中的常駐負(fù)載。進(jìn)迭時(shí)空在 K3 芯片上推進(jìn) RISC-V Vector Crypto，在真實(shí)硬件與應(yīng)用中形成穩(wěn)定、可感知、可復(fù)用的密碼學(xué)能力，為RISC-V 生態(tài)的真正落地提供答案。

加密與認(rèn)證廣泛應(yīng)用于網(wǎng)頁訪問、數(shù)據(jù)傳輸、文件同步、VPN連接等場景。隨著云邊協(xié)同、零信任接入、存儲(chǔ)加密等需求持續(xù)增長，密碼學(xué)計(jì)算正從“可選能力”轉(zhuǎn)為“常駐負(fù)載”。針對(duì)這一趨勢(shì)，進(jìn)迭時(shí)空選擇在 RISC-V 處理器中支持 RISC-V Vector Crypto 擴(kuò)展。不同于依賴通用 CPU 標(biāo)量指令計(jì)算或外掛獨(dú)立密碼加速 IP 的方法，Vector Crypto 在原有 RISC-VVector擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，直接增強(qiáng)了加密、認(rèn)證和哈希等計(jì)算，進(jìn)而提升這些場景下的應(yīng)用表現(xiàn)。

從進(jìn)迭時(shí)空的實(shí)踐來看，Vector Crypto 有以下3個(gè)特點(diǎn)：

同時(shí)覆蓋國際標(biāo)準(zhǔn)算法與中國商用密碼算法

以結(jié)構(gòu)化的 Element Group 提升軟硬件協(xié)同效率

在設(shè)計(jì)上注意執(zhí)行時(shí)延與加密內(nèi)容無關(guān)，降低時(shí)序側(cè)信道風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)進(jìn)迭時(shí)空而言，Vector Crypto 的意義不只是“更快”，更在于把“高性能、標(biāo)準(zhǔn)化、可控安全實(shí)現(xiàn)”統(tǒng)一到同一條執(zhí)行路徑上。SpacemiT K3 的價(jià)值，也正在于將這一能力從規(guī)范推進(jìn)到量產(chǎn)實(shí)踐。

算法級(jí)測試結(jié)果

算法級(jí)及應(yīng)用級(jí)實(shí)驗(yàn)均基于 K3 芯片的 X100 實(shí)測。以下為 OpenSSL benchmark 中，不同數(shù)據(jù)規(guī)模下開啟 Vector Crypto 后相對(duì)標(biāo)量基線的加速倍數(shù)。

結(jié)果中可觀察到幾個(gè)明確趨勢(shì)：

數(shù)據(jù)塊越大，收益通常越明顯。如 aes-128-cbc 從 16 bytes 的 4.7x 提升到 16384 bytes 的 13.9x，GHASH 更是從 2.5x 提升到 46.6x。

塊加密與認(rèn)證路徑表現(xiàn)最為突出。AES-CBC 和 GHASH 的提升符合其天然適合并行處理的特性。

不同算法對(duì)向量化的敏感度存在差異。sha512、SM3 的提升相對(duì)平穩(wěn)，說明算法結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織方式及實(shí)現(xiàn)路徑均影響最終收益。

應(yīng)用級(jí)測試結(jié)果

算法級(jí) benchmark 固然重要，但用戶感知更多取決于真實(shí)應(yīng)用場景。

01. HTTPS / TLS 場景

網(wǎng)絡(luò)安全測試使用 Nginx + TLS 1.3 服務(wù)端，客戶端通過 openssl s_time 壓測，對(duì)比 AES-GCM 和 ChaCha20-Poly1305 兩組 cipher suite，分別在 1KB 和 1MB 文件場景下測試 with/without Vector Crypto 的差異。兩種連接方式含義如下：

新建連接：每次請(qǐng)求重新建立 TLS 連接

復(fù)用連接：復(fù)用已有 session 進(jìn)行請(qǐng)求

在 1KB 小包場景下，兩種算法均有提升，但幅度相對(duì)有限；進(jìn)入 1MB 大包傳輸后，AES-GCM 收益明顯拉開，新建連接模式提升約 72.9%，復(fù)用連接模式提升約 49.7%。這與前述算法級(jí)實(shí)驗(yàn)中 AES + GHASH 受益更明顯的結(jié)論一致。

而 ChaCha20-Poly1305 的表現(xiàn)更平穩(wěn)。其原因在于，ChaCha20 本身并沒有直接對(duì)應(yīng)的 Vector Crypto 專用加速指令，因此能夠獲得的收益相對(duì)有限。這一點(diǎn)在 HTTPS / TLS 場景中也體現(xiàn)得比較明顯：整體有提升，但無論是小包還是大包，增益都明顯低于 AES-GCM 路徑。

02. 存儲(chǔ)安全場景

存儲(chǔ)安全測試使用 fio，在 verify=sha256 場景下觀察開啟 Vector Crypto 后，帶校驗(yàn)的寫路徑和校驗(yàn)讀路徑是否發(fā)生變化。測試覆蓋 4k、64k、1m 三種塊大小。

Vector Crypto 對(duì)“寫入 + SHA256 校驗(yàn)”路徑提升顯著，而且塊越大，收益越高。1m 下，寫路徑達(dá)到 6.58x，校驗(yàn)讀達(dá)到 6.46x。對(duì)照組表明，純順序讀幾乎沒有變化，說明提升主要來自 sha256 verify 處理過程，而非普通 I/O 。

03. 數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)場景

數(shù)據(jù)完整性測試使用 openssl dgst -sha256，分別測試 1GB 大文件和 4096 x 16KB 批量小文件兩類場景。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合工程直覺：大文件完整性校驗(yàn)提升顯著（約 7.34x），而批量小文件的耗時(shí)主要由文件切換和調(diào)度開銷主導(dǎo)，收益很?。s 1.78%）。說明優(yōu)化更適合大塊數(shù)據(jù)的連續(xù)處理，而非存在頻繁文件切換和調(diào)度開銷主導(dǎo)的場景。

04. WireGuard 隧道場景

在 WireGuard 測試中，額外做了純 ChaCha20-Poly1305 benchmark 和實(shí)際隧道吞吐兩組對(duì)比。

純 ChaCha20-Poly1305 benchmark 下，1KB 負(fù)載提升約 19.9%

純 ChaCha20-Poly1305 benchmark 下，1MB 負(fù)載提升約 39.2%

但實(shí)際 WireGuard 隧道吞吐幾乎沒有變化，穩(wěn)定在約 0.89 Gbit/s

這一結(jié)果說明，當(dāng)前 WireGuard 負(fù)載的主要瓶頸不在加解密運(yùn)算本身，因此即便 ChaCha20-Poly1305 的純算法 benchmark 已經(jīng)明顯提升，實(shí)際隧道吞吐也不會(huì)出現(xiàn)同等幅度的增長。

05. 國密合規(guī)場景

國密合規(guī)測試主要圍繞 Tongsuo 展開，對(duì)比使用 Vector Crypto 與未使用 Vector Crypto 兩種配置下的表現(xiàn)，分成兩個(gè)層面：

算法級(jí)性能對(duì)比：觀察 SM3 和 SM4-CBC 在應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中的實(shí)際收益；

TLCP 應(yīng)用場景對(duì)比：觀察這些收益能否反映到連接層性能上。

先看算法級(jí)結(jié)果：

SM3 的對(duì)比覆蓋了從 16B 到 16384B 的多個(gè)數(shù)據(jù)規(guī)模。使用 Vector Crypto 和未使用 Vector Crypto 的速度之比如下圖所示：

可以看到，SM3 在不同負(fù)載下都能獲得穩(wěn)定收益，并且數(shù)據(jù)塊越大，提升越明顯，大塊數(shù)據(jù)時(shí)已經(jīng)接近 2.4x。

SM4-CBC 的提升更直接，使用 Vector Crypto 和未使用 Vector Crypto 的速度之比如下圖所示：

這說明在 Tongsuo 的國密應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中，SM4-CBC 是一條非常典型的高收益路徑，其提升范圍已經(jīng)達(dá)到 3.6x ~ 7x。

再看 TLCP 應(yīng)用層表現(xiàn)。測試場景使用本機(jī) TLCP 服務(wù)端，協(xié)議為 NTLSv1.1，cipher suite 為 ECC-SM2-SM4-CBC-SM3，對(duì) /1k.bin 進(jìn)行 60 秒短連接壓測。結(jié)果如下：

也就是說，在 TLCP 國密短連接場景中，使用 Vector Crypto 已經(jīng)能夠體現(xiàn)出穩(wěn)定可見的連接層收益。綜合來看，在國密場景下，Vector Crypto 不僅能顯著提升 SM3、SM4-CBC 等算法路徑的性能，而且能將收益進(jìn)一步傳導(dǎo)到 TLCP 等真實(shí)應(yīng)用場景中。

結(jié)語

RISC-V Vector Crypto 的價(jià)值，不在于“多了一組新指令”，而在于它讓處理器第一次能更系統(tǒng)地承擔(dān)起高頻密碼學(xué)工作負(fù)載。

對(duì)進(jìn)迭時(shí)空而言，K3 的意義不只是“支持了標(biāo)準(zhǔn)”，而是將這一能力真正落地到量產(chǎn)硬件，并在算法級(jí)和應(yīng)用級(jí)兩個(gè)層面都給出了可驗(yàn)證的優(yōu)化結(jié)果。下一步，進(jìn)迭時(shí)空將繼續(xù)圍繞真實(shí)業(yè)務(wù)負(fù)載推進(jìn)軟硬件協(xié)同優(yōu)化，讓 Vector Crypto 在更多場景中釋放穩(wěn)定的性能收益。