IPSec のスループット

ネットワークのスループットを測定する環境を整えたので、次いでに IPSec を通してた時のものも測定してみた。

測定の条件は

1. スループット測定ツール nuttcp の計測用データチャンネル 5001/tcp を上り／下りにそれぞれ IPSec に通す。
2. racoon ver.1 でサポートされていない暗号化スイートも測定したいので、鍵を手動で設定する。
3. ESP認証／暗号の組み合わせで計測する。(AHは使わん)
4. 追加で IPComp での圧縮の効果を見たい気がする。

複数の認証/暗号の組み合わせで測定する為にスクリプト(measure_ipsec_throughput.sh)化した。

setkey で、手動で鍵を設定する方法は多々情報(1、2)があるので、そちらを参考にして欲しい。ただ、IPComp を組み合わせる例が乏しいのでこの部分だけ。

IPComp を組み合わせて使う

IPSec設定済みで、ESPのみを使うSPDが次にようになってるだろう。

...
spdadd xx.xx.xx.xx[port] yy.yy.yy.yy tcp -P out ipsec esp/transport//require;
...

このときSPDのルールの順番が重要になる。カプセル化の下の方から、要は IPComp ⇒ ESP ⇒ AH の順に書き下していくことになる。

従ってIPCompを組み合わせるには、次のようにすればよい。

...
add xx.xx.xx.xx[port] yy.yy.yy.yy ipcomp zzzz -C deflate;
spdadd xx.xx.xx.xx[port] yy.yy.yy.yy tcp
	-P out ipsec ipcomp/transport//use esp/transport//require;

ただ、ベンチマークに流れるデータは「0」の羅列なので、いまいち効果が分からん。。。

なので計測は諦めた。

IPSec スループットの計測

前とほぼ同じ環境とmacbook pro を加えたものを用意、全ての計測に MTU 1500 / ロック周波数変更は全て無効にしMAXにした。また、TCP/IP通信に関するパラメータを修正せずにデフォルトにした。

• ref1 - M2NPV-VM / Athlon64X2 2.0GHz / DDR2-667 4GB / Intel Pro/1000PT (外付け)
• ref2 - M4A78-EM / Athlon X2 5050e 2.6GHz / DDR2-800 8GB / RTL8112
• via - VIA-EN12000EG / VIA C7 1.2GHz / DDR2-533 1G / VT6122
• osx - MacBookPro5,1 / Intel Core 2 Duo 2.4 GHz / DDR3-1066 2G x 2 / onboard Gigabit Ethernet
• hub - Gigabit Hub(GS908M)

認証/暗号		ref1⇔ref2			ref1⇔via			ref1⇔osx
		throughput (Mbps)	CPU %		throughput (Mbps)	CPU %		throughput (Mbps)	CPU %
			ref1	ref2		ref1	via		ref1	osx
no ipsec	⇒	941.3580	10	28	785.1857	6	50	936.9429	9	54
	⇐	941.2461	17	24	723.7100	12	99	938.3451	18	77
null/null	⇒	934.6834	99	38	566.8947	13	93	932.0707	31	62
	⇐	787.4495	18	46	520.2880	13	99	879.3127	25	99
null/des-cbc	⇒	229.5461	99	8	72.9094	2	95	136.6533	3	14
	⇐	197.0768	14	26	73.4657	4	99	129.1215	6	99
null/3des-cbc	⇒	110.5173	100	4	30.8918	2	87	59.2064	1	7
	⇐	76.8033	11	1	30.5976	1	99	56.5818	3	98
null/aes-cbc	⇒	466.7989	99	33	392.0739	14	91	475.7789	95	43
	⇐	472.1796	28	36	396.2264	17	99	376.3890	22	99
null/aes-ctr	⇒	495.4163	77	58	218.6071	7	71
	⇐	383.9987	16	7	258.7430	17	99
null/blowfish-cbc	⇒	316.0327	99	11	77.6054	3	74	263.7795	15	31
	⇐	244.9774	11	4	84.1580	4	99	228.4810	13	99
null/twofish-cbc	⇒	372.5317	99	19	100.8360	5	73
	⇐	289.2720	15	9	102.0088	5	99
null/camellia-cbc	⇒	340.9916	100	15	86.7841	3	60
	⇐	267.3560	18	5	84.5675	4	99
hmac-md5/null	⇒	537.2857	99	24	244.7170	7	87	578.8675	99	49
	⇐	453.2448	29	14	230.2019	11	99	572.5809	29	99
hmac-sha1/null	⇒	370.0861	100	15	360.3754	20	86	414.4706	99	41
	⇐	296.1913	11	7	350.0287	20	99	469.5587	57	98
hmac-sha256/null	⇒	307.0078	99	16	302.9315	100	41	278.9001	17	33
	⇐	240.0495	12	4	336.2512	19	96	248.9149	28	99
aes-xcbc-mac/null	⇒	447.6017	99	20	216.0013	6	80
	⇐	347.9881	13	12	271.0801	21	99
hmac-md5/3des-cbc	⇒	101.5172	100	5	29.0609	1	88	57.0069	1	7
	⇐	71.0862	11	1	28.4519	1	100	54.5636	4	98
hmac-md5/aes-cbc	⇒	326.0155	99	17	205.8441	9	79	349.0338	80	27
	⇐	266.2639	18	5	198.6511	12	99	296.4431	27	98
hmac-sha1/3des-cbc	⇒	94.1899	100	5	30.1900	1	85	56.6619	1	5
	⇐	66.1646	12	1	29.8474	2	99	52.0154	4	96
hmac-sha1/aes-cbc	⇒	259.3614	99	15	253.1157	99	56	275.3661	98	25
	⇐	202.5055	12	4	286.0077	20	93	270.1091	26	97
hmac-sha1/aes-ctr	⇒	257.3152	99	14	193.6954	4	97
	⇐	199.9059	12	3	209.8745	16	99
aes-xcbc-mac/aes-cbc	⇒	283.0864	99	15	207.2613	11	62
	⇐	225.1556	13	4	233.3907	26	99
aes-xcbc-mac/aes-ctr	⇒	281.3969	99	15	154.4989	7	70
	⇐	220.3145	12	4	178.5399	13	99

異様にたくさん計測したが、あんまり意味が無い気がしないでもない。

• 暗号化方式の性能は
  aes系 > blowfish/twofish/camellia >> DES > 3DES
  VIA C7 では aes系 >> それ以外
• 認証方式の性能は
  hmac-md5 > aes-xcbc-mac > hmac-sha1/hmac-sha256
  ただ、あまり差異はない。
  VIA C7 では hmac-sha1/hmac-sha256 >> それ以外
• des-cbc/3des-cbc は他の暗号化方法に比べて５～１０倍くらい遅い。もう、見る影が無い。
• aes 系の実装には多くの開発リソースが割かれており、x86 コードでも十分早い。VIA PadLock が圧倒的に有利という訳ではない、不利という訳でもない。
• 個々のNICドライバの個性がある。
  e1000e(Linux) / nvenet(MacOSX) に関しては送信時のCPU負荷が100%になる傾向があり、r8169 に関してはどう考えてもCPU利用率が低くなる。
  これが NIC 自体の性能か、TCPと組み合わせで何らかのビジーウェイトが起きるのかは、いまいち不明。。。nuttcp/netperf で発生するトラフィックパータンに対する適性なのだろうか。
  送信性能が上がるチューニングが必要なのだろうか？
• 普通運用する hmac-sha1/aes-cbc は 約250Mbps のスループットが出る。PadLock を使えば同様の性能が出る。

結論

VIA-EN12000EG 上の Linux で IPSec を使うと約250Mbps程度のスループットの性能があり、Athlon64X2 2.0GHz と同程度の性能である。

Intel Atom はどの程度なのだろうかぁ？