AI和HPC正在改变数据中心网络。现代基础设施通常由前端网络和后端网络组成：前端网络连接用户、存储和管理系统，后端网络则把GPU和计算节点互联起来。在最大规模下，AI集群会跨越多个地点部署，并依靠跨域扩展网络（scale-across networking）来构建统一基础设施。

尽管大多数现代数据中心都采用叶脊架构，但具体实现并不只由技术要求决定。既有供应商关系、产品可用性、供应链因素以及总体拥有成本都发挥着重要作用。因此，目标相近的组织往往会根据自身业务优先级、运营约束和升级策略来实施网络。

AI和HPC基础设施处理的是高价值数据，也代表着巨额资金投入。保护这些环境需要针对以下方面采取控制措施：

与此同时，安全机制必须支持AI基础设施的基本目标：

• 全线速吞吐和尽可能低的时延影响
• 可扩展到大量端口和节点
• 功耗、硅面积和部署成本可接受

业界已经在高速网络中积累了十多年关于MACsec和IPsec等技术的运行经验。当前的主要挑战在于，确定这些能力应该在何处以及如何实现。

现代AI网络运行速率已达数百Gbps，并正快速迈向多Tbps。在这一性能水平下，网络安全必须以如下方式实现：

安全数据平面负责实时的数据包处理和防护。这些功能被集成到交换ASIC、SmartNIC、DPU、光DSP或接口设备中。

控制平面则负责安全策略管理、会话建立，以及周期性的加密密钥刷新等运行时操作。

图1：带有数据平面和控制平面的硬件加速网络安全架构。

最重要的架构决策之一，是将MACsec、IPsec或新兴的Ultra Ethernet安全机制等安全功能放在什么位置。

将安全直接集成到交换ASIC中，可以让加密和认证成为数据包转发流水线的一部分。

优点：

• 与数据包分类和转发原生集成
• 在光模块和可插拔模块选择上具有更大灵活性

挑战：

• 会占用本可用于提高端口密度、数据包缓存和交换容量的硅面积
• 安全能力受限于ASIC生命周期，未来升级空间有限

另一种方式是将安全功能放在外部PHY器件中（例如线路卡重定时器/gearbox），或放在支持安全功能的可插拔模块中。

优点：

• 更容易引入新的安全能力
• 保留交换ASIC资源用于网络功能
• 把额外功耗从主ASIC移出，并使用更适合功耗优化的技术

挑战：

• 对外部供应商和模块可用性形成依赖
• 安全边界从芯片级转移到前面板级

AI和计算系统依赖专用传输协议，包括InfiniBand、RoCEv2和Ultra Ethernet Transport（UET）。与fabric层安全不同，传输安全通常与特定用户、作业或工作负载相关，因此作为端到端服务运行。安全必须在不影响底层fabric的前提下保持透明，同时保留加速计算所需的低时延和高吞吐。

因此，传输安全被集成到（Smart）NIC中，并与硬件加速的传输处理紧密耦合，且通常支持多种传输和安全协议同时运行，以适应不同的通信需求。

图2：AI NIC中的网络安全。

现代基础设施会根据拓扑、信任边界和工作负载需求，同时部署多层安全机制：

• 用于二层保护的MACsec
• 用于三层安全的IPsec
• 用于Ultra Ethernet传输安全的UET-TSS
• 针对特定fabric和部署优化的专有安全协议

这些机制大体上是互补而非竞争关系。MACsec通常用于链路级保护，IPsec用于保护跨网络路由流量，而传输层安全则保护AI和HPC通信流。

光学技术的进步正在扩大网络安全的部署选项。如今，MACsec已开始直接集成到800G和1.6T光模块中，这得益于针对低功耗数据包处理优化的硅技术。

展望未来，基于芯粒的交换和NIC架构，以及近封装光学和共封装光学，可能为安全集成创造新的机会。专用I/O芯粒有望成为加密和认证功能的自然落点，同时保留宝贵的计算和交换资源。

网络安全如今已成为AI、HPC和云规模数据中心的基本要求。要在Tbps速率下保护流量，就必须采用硬件实现，在满足成本和功耗目标的同时保持线速性能。

业界提供了多种部署选项，包括交换ASIC、外部PHY、光模块、SmartNIC以及未来的芯粒化架构。这种灵活性使数据中心设计者能够根据自身基础设施需求，在安全性、性能、能效和系统成本之间进行平衡。

Rambus通过其覆盖广泛、经过行业验证的网络安全硅IP组合来应对这些挑战，当前支持最高1.6T，未来可扩展到3.2T。客户可以在安全功能、吞吐量、功耗和集成工作量之间进行权衡，以部署满足其硅器件性能、成本和上市时间要求的网络安全能力。更多内容可参见下方链接中的白皮书。

链接

白皮书——为AI、HPC和数据中心加入网络安全

Rambus Secure Networking IP

Maxim Demchenko