IPsec Protokolü için FPGA üzerinde anahtar-değer saklama donanımı
A custom key-value store hardware on FPGA for IPsec Protocol
Yazar: MURAT BENLİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET SERDAR UFUK TÜRELİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
IPSec (Internet Protocol Security) gibi güvenlik protokollerinde haberleşme güvenliğini sağlayan en önemli değerler; anahtarlar ve iki uç birim arasında güvenli tüneller oluşturulurken kullanılan eşsiz değerlerdir. Bu değerlerin sayısı tünel sayısıyla doğru orantılı olarak artmaktadır. Literatüre bakıldığında; bu artışın kaynak tüketimini arttırdığı görülmektedir.
Bu güvenli ilişki verilerini yönetmek için bir çok mekanizma kullanılmaktadır. Bunlardan en çok kullanılanlarından bir tanesi CAM (Content Addressable Memory) yapısıdır. Tez içerisinde temel CAM mimarisinin bazı alt hücre tipleri ve çalışma mekanizması anlatılmaktadır. CAM mimarisi hafıza üzerinde arama yapma ve veri yazma, okuma konularında oldukça hızlı bir çözüm sunmaktadır. Fakat bunu yaparken fazla kaynağa ihtiyaç duymaktadır.
Bu çalışmada ise aynı fonksiyonu yerine getiren alternatif bir Anahtar – Değer mimarisi sunulmaktadır. Anahtar – değer mimarileri günümüzde Intel, Cisco gibi birçok firma tarafından büyük veri saklama merkezleri için kullanılan yapılardır. Bu mimari sıklıkla çok büyük boyutlu verileri yönetebilmek için kullanılmaktadır. Çalışmada anahtar - değer mimarisinin tercih edilme sebebi daha büyük bir veri parçası üzerinde hızlı işlem yapma özelliğinden çok, az kaynak ve güç tüketmesidir.
xii
Anahtar – değer mimarilerinin çalışma prensibi özet alma işlemine dayanmaktadır. Özet alma fonksiyonuyla çalışmasının getirdiği az kaynak tüketimi ve hafıza üzerinde hızlı arama yapma becerisine karşılık, çarpışma(collision) problemiyle yüzleşmek gerekmektedir. Çarpışma problemi sistemin en büyük dar boğazı olduğundan en başta, çalışılacak hafıza boyutlarına uygun bir özet algoritması seçimi önemlidir. Bunun için çalışma kapsamında bir ön çalışma ve kestirim yapılmıştır. Seçilen özet fonksiyonu kullanılarak anahtar – değer mimarisi gerçeklenmiştir.
Bu çalışmada tasarlanan özet algoritması tabanlı anahtar – değer mekanizması anlatılırken aynı boyutlarda hafıza üzerinden çalışabilecek olan CAM yapısıyla da kıyaslanmaktadır. Kıyaslamanın sonucunda anahtar – değer mimarisinin yarı iletken kaynağı ve güç tüketimi açılarından geleneksel CAM yapısına göre daha avantajlı olduğu görülmüştür.
Her iki mimarinin de gerçeklenmesinde XILINX Virtex 7 ailesi FPGA(Field Programmable Gate Array) kullanılmıştır.

Abstract:
The most important values that provide communication security in communication protocols such as IPSec (Internet Protocol Security) are keys and unique values used when creating secure tunnels between two terminals. The number of these values increases in direct proportion to the number of tunnels. Looking at the literature; it is seen that this increase enhances resource consumption.
Many mechanisms are used to manage this SA (Secure Association) data. One of the most used of these is the CAM (Content Addressable Memory) structure. In the thesis, some cell types of the CAM architecture and their working mechanism are explained. CAM architecture offers a very fast solution for searching, writing and reading data on the memory but doing so requires a lot of resources.
In this study, an alternative Key-Value architecture that fulfills the same function is proposed. This architecture is often used to manage very large data. Key-value architectures are structures used by many companies such as Intel and Cisco for big data storage centers today. The reason why the key-value architecture is preferred in the study is that it consumes fewer resources and power rather than processing big data.
xiv
The working principle of key-value architectures is based on the hashing functions. Despite the key-value mechanism has low resource consumption and the ability to perform a quick search on memory, it is necessary to face the problem of collision. Since the collision problem is the biggest bottleneck of the system, it is important to choose a hash algorithm suitable for the memory size to be worked on. For this, a preliminary study and collision estimation were made within the scope of the study. Key-value architecture is implemented using the selected hash function.
While describing the key-value mechanism based on the hash function designed in this study, it is also compared with the CAM structure that can operate on the same memory size. As a result of the comparison, it has been seen that the key-value architecture is more advantageous than the traditional CAM structure in terms of source and power consumption.
XILINX Virtex 7 family FPGA (Field Programmable Gate Array) is used in the implementation of both architectures.