New upstream version 18.02
[deb_dpdk.git] / doc / guides / prog_guide / rte_security.rst
1 ..  SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
2     Copyright 2017 NXP
3
4
5
6 Security Library
7 ================
8
9 The security library provides a framework for management and provisioning
10 of security protocol operations offloaded to hardware based devices. The
11 library defines generic APIs to create and free security sessions which can
12 support full protocol offload as well as inline crypto operation with
13 NIC or crypto devices. The framework currently only supports the IPSec protocol
14 and associated operations, other protocols will be added in future.
15
16 Design Principles
17 -----------------
18
19 The security library provides an additional offload capability to an existing
20 crypto device and/or ethernet device.
21
22 .. code-block:: console
23
24                +---------------+
25                | rte_security  |
26                +---------------+
27                  \            /
28         +-----------+    +--------------+
29         |  NIC PMD  |    |  CRYPTO PMD  |
30         +-----------+    +--------------+
31
32 .. note::
33
34     Currently, the security library does not support the case of multi-process.
35     It will be updated in the future releases.
36
37 The supported offload types are explained in the sections below.
38
39 Inline Crypto
40 ~~~~~~~~~~~~~
41
42 RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_INLINE_CRYPTO:
43 The crypto processing for security protocol (e.g. IPSec) is processed
44 inline during receive and transmission on NIC port. The flow based
45 security action should be configured on the port.
46
47 Ingress Data path - The packet is decrypted in RX path and relevant
48 crypto status is set in Rx descriptors. After the successful inline
49 crypto processing the packet is presented to host as a regular Rx packet
50 however all security protocol related headers are still attached to the
51 packet. e.g. In case of IPSec, the IPSec tunnel headers (if any),
52 ESP/AH headers will remain in the packet but the received packet
53 contains the decrypted data where the encrypted data was when the packet
54 arrived. The driver Rx path check the descriptors and and based on the
55 crypto status sets additional flags in the rte_mbuf.ol_flags field.
56
57 .. note::
58
59     The underlying device may not support crypto processing for all ingress packet
60     matching to a particular flow (e.g. fragmented packets), such packets will
61     be passed as encrypted packets. It is the responsibility of application to
62     process such encrypted packets using other crypto driver instance.
63
64 Egress Data path - The software prepares the egress packet by adding
65 relevant security protocol headers. Only the data will not be
66 encrypted by the software. The driver will accordingly configure the
67 tx descriptors. The hardware device will encrypt the data before sending the
68 the packet out.
69
70 .. note::
71
72     The underlying device may support post encryption TSO.
73
74 .. code-block:: console
75
76           Egress Data Path
77                  |
78         +--------|--------+
79         |  egress IPsec   |
80         |        |        |
81         | +------V------+ |
82         | | SADB lookup | |
83         | +------|------+ |
84         | +------V------+ |
85         | |   Tunnel    | |   <------ Add tunnel header to packet
86         | +------|------+ |
87         | +------V------+ |
88         | |     ESP     | |   <------ Add ESP header without trailer to packet
89         | |             | |   <------ Mark packet to be offloaded, add trailer
90         | +------|------+ |            meta-data to mbuf
91         +--------V--------+
92                  |
93         +--------V--------+
94         |    L2 Stack     |
95         +--------|--------+
96                  |
97         +--------V--------+
98         |                 |
99         |     NIC PMD     |   <------ Set hw context for inline crypto offload
100         |                 |
101         +--------|--------+
102                  |
103         +--------|--------+
104         |  HW ACCELERATED |   <------ Packet Encryption and
105         |        NIC      |           Authentication happens inline
106         |                 |
107         +-----------------+
108
109
110 Inline protocol offload
111 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
112
113 RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_INLINE_PROTOCOL:
114 The crypto and protocol processing for security protocol (e.g. IPSec)
115 is processed inline during receive and transmission.  The flow based
116 security action should be configured on the port.
117
118 Ingress Data path - The packet is decrypted in the RX path and relevant
119 crypto status is set in the Rx descriptors. After the successful inline
120 crypto processing the packet is presented to the host as a regular Rx packet
121 but all security protocol related headers are optionally removed from the
122 packet. e.g. in the case of IPSec, the IPSec tunnel headers (if any),
123 ESP/AH headers will be removed from the packet and the received packet
124 will contains the decrypted packet only. The driver Rx path checks the
125 descriptors and based on the crypto status sets additional flags in
126 ``rte_mbuf.ol_flags`` field. The driver would also set device-specific
127 metadata in ``rte_mbuf.udata64`` field. This will allow the application
128 to identify the security processing done on the packet.
129
130 .. note::
131
132     The underlying device in this case is stateful. It is expected that
133     the device shall support crypto processing for all kind of packets matching
134     to a given flow, this includes fragmented packets (post reassembly).
135     E.g. in case of IPSec the device may internally manage anti-replay etc.
136     It will provide a configuration option for anti-replay behavior i.e. to drop
137     the packets or pass them to driver with error flags set in the descriptor.
138
139 Egress Data path - The software will send the plain packet without any
140 security protocol headers added to the packet. The driver will configure
141 the security index and other requirement in tx descriptors.
142 The hardware device will do security processing on the packet that includes
143 adding the relevant protocol headers and encrypting the data before sending
144 the packet out. The software should make sure that the buffer
145 has required head room and tail room for any protocol header addition. The
146 software may also do early fragmentation if the resultant packet is expected
147 to cross the MTU size.
148
149
150 .. note::
151
152     The underlying device will manage state information required for egress
153     processing. E.g. in case of IPSec, the seq number will be added to the
154     packet, however the device shall provide indication when the sequence number
155     is about to overflow. The underlying device may support post encryption TSO.
156
157 .. code-block:: console
158
159          Egress Data Path
160                  |
161         +--------|--------+
162         |  egress IPsec   |
163         |        |        |
164         | +------V------+ |
165         | | SADB lookup | |
166         | +------|------+ |
167         | +------V------+ |
168         | |   Desc      | |   <------ Mark packet to be offloaded
169         | +------|------+ |
170         +--------V--------+
171                  |
172         +--------V--------+
173         |    L2 Stack     |
174         +--------|--------+
175                  |
176         +--------V--------+
177         |                 |
178         |     NIC PMD     |   <------ Set hw context for inline crypto offload
179         |                 |
180         +--------|--------+
181                  |
182         +--------|--------+
183         |  HW ACCELERATED |   <------ Add tunnel, ESP header etc header to
184         |        NIC      |           packet. Packet Encryption and
185         |                 |           Authentication happens inline.
186         +-----------------+
187
188
189 Lookaside protocol offload
190 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
191
192 RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_LOOKASIDE_PROTOCOL:
193 This extends librte_cryptodev to support the programming of IPsec
194 Security Association (SA) as part of a crypto session creation including
195 the definition. In addition to standard crypto processing, as defined by
196 the cryptodev, the security protocol processing is also offloaded to the
197 crypto device.
198
199 Decryption: The packet is sent to the crypto device for security
200 protocol processing. The device will decrypt the packet and it will also
201 optionally remove additional security headers from the packet.
202 E.g. in case of IPSec, IPSec tunnel headers (if any), ESP/AH headers
203 will be removed from the packet and the decrypted packet may contain
204 plain data only.
205
206 .. note::
207
208     In case of IPSec the device may internally manage anti-replay etc.
209     It will provide a configuration option for anti-replay behavior i.e. to drop
210     the packets or pass them to driver with error flags set in descriptor.
211
212 Encryption: The software will submit the packet to cryptodev as usual
213 for encryption, the hardware device in this case will also add the relevant
214 security protocol header along with encrypting the packet. The software
215 should make sure that the buffer has required head room and tail room
216 for any protocol header addition.
217
218 .. note::
219
220     In the case of IPSec, the seq number will be added to the packet,
221     It shall provide an indication when the sequence number is about to
222     overflow.
223
224 .. code-block:: console
225
226           Egress Data Path
227                  |
228         +--------|--------+
229         |  egress IPsec   |
230         |        |        |
231         | +------V------+ |
232         | | SADB lookup | |   <------ SA maps to cryptodev session
233         | +------|------+ |
234         | +------|------+ |
235         | |      \--------------------\
236         | |    Crypto   | |           |  <- Crypto processing through
237         | |      /----------------\   |     inline crypto PMD
238         | +------|------+ |       |   |
239         +--------V--------+       |   |
240                  |                |   |
241         +--------V--------+       |   |  create   <-- SA is added to hw
242         |    L2 Stack     |       |   |  inline       using existing create
243         +--------|--------+       |   |  session      sym session APIs
244                  |                |   |    |
245         +--------V--------+   +---|---|----V---+
246         |                 |   |   \---/    |   | <--- Add tunnel, ESP header etc
247         |     NIC PMD     |   |   INLINE   |   |      header to packet.Packet
248         |                 |   | CRYPTO PMD |   |      Encryption/Decryption and
249         +--------|--------+   +----------------+      Authentication happens
250                  |                                    inline.
251         +--------|--------+
252         |       NIC       |
253         +--------|--------+
254                  V
255
256 Device Features and Capabilities
257 ---------------------------------
258
259 Device Capabilities For Security Operations
260 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
261
262 The device (crypto or ethernet) capabilities which support security operations,
263 are defined by the security action type, security protocol, protocol
264 capabilities and corresponding crypto capabilities for security. For the full
265 scope of the Security capability see definition of rte_security_capability
266 structure in the *DPDK API Reference*.
267
268 .. code-block:: c
269
270    struct rte_security_capability;
271
272 Each driver (crypto or ethernet) defines its own private array of capabilities
273 for the operations it supports. Below is an example of the capabilities for a
274 PMD which supports the IPSec protocol.
275
276 .. code-block:: c
277
278     static const struct rte_security_capability pmd_security_capabilities[] = {
279         { /* IPsec Lookaside Protocol offload ESP Tunnel Egress */
280                 .action = RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_LOOKASIDE_PROTOCOL,
281                 .protocol = RTE_SECURITY_PROTOCOL_IPSEC,
282                 .ipsec = {
283                         .proto = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_PROTO_ESP,
284                         .mode = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_MODE_TUNNEL,
285                         .direction = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_DIR_EGRESS,
286                         .options = { 0 }
287                 },
288                 .crypto_capabilities = pmd_capabilities
289         },
290         { /* IPsec Lookaside Protocol offload ESP Tunnel Ingress */
291                 .action = RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_LOOKASIDE_PROTOCOL,
292                 .protocol = RTE_SECURITY_PROTOCOL_IPSEC,
293                 .ipsec = {
294                         .proto = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_PROTO_ESP,
295                         .mode = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_MODE_TUNNEL,
296                         .direction = RTE_SECURITY_IPSEC_SA_DIR_INGRESS,
297                         .options = { 0 }
298                 },
299                 .crypto_capabilities = pmd_capabilities
300         },
301         {
302                 .action = RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_NONE
303         }
304     };
305     static const struct rte_cryptodev_capabilities pmd_capabilities[] = {
306         {    /* SHA1 HMAC */
307             .op = RTE_CRYPTO_OP_TYPE_SYMMETRIC,
308             .sym = {
309                 .xform_type = RTE_CRYPTO_SYM_XFORM_AUTH,
310                 .auth = {
311                     .algo = RTE_CRYPTO_AUTH_SHA1_HMAC,
312                     .block_size = 64,
313                     .key_size = {
314                         .min = 64,
315                         .max = 64,
316                         .increment = 0
317                     },
318                     .digest_size = {
319                         .min = 12,
320                         .max = 12,
321                         .increment = 0
322                     },
323                     .aad_size = { 0 },
324                     .iv_size = { 0 }
325                 }
326             }
327         },
328         {    /* AES CBC */
329             .op = RTE_CRYPTO_OP_TYPE_SYMMETRIC,
330             .sym = {
331                 .xform_type = RTE_CRYPTO_SYM_XFORM_CIPHER,
332                 .cipher = {
333                     .algo = RTE_CRYPTO_CIPHER_AES_CBC,
334                     .block_size = 16,
335                     .key_size = {
336                         .min = 16,
337                         .max = 32,
338                         .increment = 8
339                     },
340                     .iv_size = {
341                         .min = 16,
342                         .max = 16,
343                         .increment = 0
344                     }
345                 }
346             }
347         }
348     }
349
350
351 Capabilities Discovery
352 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
353
354 Discovering the features and capabilities of a driver (crypto/ethernet)
355 is achieved through the ``rte_security_capabilities_get()`` function.
356
357 .. code-block:: c
358
359    const struct rte_security_capability *rte_security_capabilities_get(uint16_t id);
360
361 This allows the user to query a specific driver and get all device
362 security capabilities. It returns an array of ``rte_security_capability`` structures
363 which contains all the capabilities for that device.
364
365 Security Session Create/Free
366 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
367
368 Security Sessions are created to store the immutable fields of a particular Security
369 Association for a particular protocol which is defined by a security session
370 configuration structure which is used in the operation processing of a packet flow.
371 Sessions are used to manage protocol specific information as well as crypto parameters.
372 Security sessions cache this immutable data in a optimal way for the underlying PMD
373 and this allows further acceleration of the offload of Crypto workloads.
374
375 The Security framework provides APIs to create and free sessions for crypto/ethernet
376 devices, where sessions are mempool objects. It is the application's responsibility
377 to create and manage the session mempools. The mempool object size should be able to
378 accommodate the driver's private data of security session.
379
380 Once the session mempools have been created, ``rte_security_session_create()``
381 is used to allocate and initialize a session for the required crypto/ethernet device.
382
383 Session APIs need a parameter ``rte_security_ctx`` to identify the crypto/ethernet
384 security ops. This parameter can be retrieved using the APIs
385 ``rte_cryptodev_get_sec_ctx()`` (for crypto device) or ``rte_eth_dev_get_sec_ctx``
386 (for ethernet port).
387
388 Sessions already created can be updated with ``rte_security_session_update()``.
389
390 When a session is no longer used, the user must call ``rte_security_session_destroy()``
391 to free the driver private session data and return the memory back to the mempool.
392
393 For look aside protocol offload to hardware crypto device, the ``rte_crypto_op``
394 created by the application is attached to the security session by the API
395 ``rte_security_attach_session()``.
396
397 For Inline Crypto and Inline protocol offload, device specific defined metadata is
398 updated in the mbuf using ``rte_security_set_pkt_metadata()`` if
399 ``DEV_TX_OFFLOAD_SEC_NEED_MDATA`` is set.
400
401 For inline protocol offloaded ingress traffic, the application can register a
402 pointer, ``userdata`` , in the security session. When the packet is received,
403 ``rte_security_get_userdata()`` would return the userdata registered for the
404 security session which processed the packet.
405
406 .. note::
407
408     In case of inline processed packets, ``rte_mbuf.udata64`` field would be
409     used by the driver to relay information on the security processing
410     associated with the packet. In ingress, the driver would set this in Rx
411     path while in egress, ``rte_security_set_pkt_metadata()`` would perform a
412     similar operation. The application is expected not to modify the field
413     when it has relevant info. For ingress, this device-specific 64 bit value
414     is required to derive other information (like userdata), required for
415     identifying the security processing done on the packet.
416
417 Security session configuration
418 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
419
420 Security Session configuration structure is defined as ``rte_security_session_conf``
421
422 .. code-block:: c
423
424     struct rte_security_session_conf {
425         enum rte_security_session_action_type action_type;
426         /**< Type of action to be performed on the session */
427         enum rte_security_session_protocol protocol;
428         /**< Security protocol to be configured */
429         union {
430                 struct rte_security_ipsec_xform ipsec;
431                 struct rte_security_macsec_xform macsec;
432         };
433         /**< Configuration parameters for security session */
434         struct rte_crypto_sym_xform *crypto_xform;
435         /**< Security Session Crypto Transformations */
436         void *userdata;
437         /**< Application specific userdata to be saved with session */
438     };
439
440 The configuration structure reuses the ``rte_crypto_sym_xform`` struct for crypto related
441 configuration. The ``rte_security_session_action_type`` struct is used to specify whether the
442 session is configured for Lookaside Protocol offload or Inline Crypto or Inline Protocol
443 Offload.
444
445 .. code-block:: c
446
447     enum rte_security_session_action_type {
448         RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_NONE,
449         /**< No security actions */
450         RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_INLINE_CRYPTO,
451         /**< Crypto processing for security protocol is processed inline
452          * during transmission */
453         RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_INLINE_PROTOCOL,
454         /**< All security protocol processing is performed inline during
455          * transmission */
456         RTE_SECURITY_ACTION_TYPE_LOOKASIDE_PROTOCOL
457         /**< All security protocol processing including crypto is performed
458          * on a lookaside accelerator */
459     };
460
461 The ``rte_security_session_protocol`` is defined as
462
463 .. code-block:: c
464
465     enum rte_security_session_protocol {
466         RTE_SECURITY_PROTOCOL_IPSEC,
467         /**< IPsec Protocol */
468         RTE_SECURITY_PROTOCOL_MACSEC,
469         /**< MACSec Protocol */
470     };
471
472 Currently the library defines configuration parameters for IPSec only. For other
473 protocols like MACSec, structures and enums are defined as place holders which
474 will be updated in the future.
475
476 IPsec related configuration parameters are defined in ``rte_security_ipsec_xform``
477
478 .. code-block:: c
479
480     struct rte_security_ipsec_xform {
481         uint32_t spi;
482         /**< SA security parameter index */
483         uint32_t salt;
484         /**< SA salt */
485         struct rte_security_ipsec_sa_options options;
486         /**< various SA options */
487         enum rte_security_ipsec_sa_direction direction;
488         /**< IPSec SA Direction - Egress/Ingress */
489         enum rte_security_ipsec_sa_protocol proto;
490         /**< IPsec SA Protocol - AH/ESP */
491         enum rte_security_ipsec_sa_mode mode;
492         /**< IPsec SA Mode - transport/tunnel */
493         struct rte_security_ipsec_tunnel_param tunnel;
494         /**< Tunnel parameters, NULL for transport mode */
495     };
496
497
498 Security API
499 ~~~~~~~~~~~~
500
501 The rte_security Library API is described in the *DPDK API Reference* document.
502
503 Flow based Security Session
504 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
505
506 In the case of NIC based offloads, the security session specified in the
507 'rte_flow_action_security' must be created on the same port as the
508 flow action that is being specified.
509
510 The ingress/egress flow attribute should match that specified in the security
511 session if the security session supports the definition of the direction.
512
513 Multiple flows can be configured to use the same security session. For
514 example if the security session specifies an egress IPsec SA, then multiple
515 flows can be specified to that SA. In the case of an ingress IPsec SA then
516 it is only valid to have a single flow to map to that security session.
517
518 .. code-block:: console
519
520          Configuration Path
521                  |
522         +--------|--------+
523         |    Add/Remove   |
524         |     IPsec SA    |   <------ Build security flow action of
525         |        |        |           ipsec transform
526         |--------|--------|
527                  |
528         +--------V--------+
529         |   Flow API      |
530         +--------|--------+
531                  |
532         +--------V--------+
533         |                 |
534         |     NIC PMD     |   <------ Add/Remove SA to/from hw context
535         |                 |
536         +--------|--------+
537                  |
538         +--------|--------+
539         |  HW ACCELERATED |
540         |        NIC      |
541         |                 |
542         +--------|--------+
543
544 * Add/Delete SA flow:
545   To add a new inline SA construct a rte_flow_item for Ethernet + IP + ESP
546   using the SA selectors and the ``rte_crypto_ipsec_xform`` as the ``rte_flow_action``.
547   Note that any rte_flow_items may be empty, which means it is not checked.
548
549 .. code-block:: console
550
551     In its most basic form, IPsec flow specification is as follows:
552         +-------+     +----------+    +--------+    +-----+
553         |  Eth  | ->  |   IP4/6  | -> |   ESP  | -> | END |
554         +-------+     +----------+    +--------+    +-----+
555
556     However, the API can represent, IPsec crypto offload with any encapsulation:
557         +-------+            +--------+    +-----+
558         |  Eth  | ->  ... -> |   ESP  | -> | END |
559         +-------+            +--------+    +-----+