基于IXP2400的安全網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)研究

摘要： 討論了在IXP2400上應(yīng)用IPSec實(shí)現(xiàn)安全網(wǎng)關(guān)的一種方案，可為通過(guò)的業(yè)務(wù)流提供較強(qiáng)的安全性。
　　關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)處理器； IXP2400； 微引擎； IPSec

　　IPSec是一種基于IP層的通信安全機(jī)制，是目前唯一一種可為任何形式的通信提供安全保障的協(xié)議，因而實(shí)現(xiàn)具有IPSec功能的網(wǎng)關(guān)能保證IP層通信的安全。然而，用IPSec對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行認(rèn)證、加/解密處理等，都是比較耗費(fèi)資源的工作，容易使具有IPSec功能的網(wǎng)關(guān)設(shè)備出現(xiàn)瓶頸問(wèn)題；同時(shí)，基于ASIC研發(fā)具有這類復(fù)雜功能的新產(chǎn)品更為困難。因此，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解決方案已在處理速度和靈活性兩方面受到挑戰(zhàn)。具有通用CPU的靈活性和ASIC芯片的執(zhí)行速度的可編程網(wǎng)絡(luò)處理器的出現(xiàn)，為IPSec機(jī)制在線速網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用提供了新途徑。
　　本文介紹了Intel的IXP2400網(wǎng)絡(luò)處理器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及IPSec體系結(jié)構(gòu)，討論了在IXP2400中以IPSec實(shí)現(xiàn)安全網(wǎng)關(guān)的一種方案。
1 IXP2400的體系結(jié)構(gòu)
　　網(wǎng)絡(luò)處理器(Network Processor)是一種面向包結(jié)構(gòu)處理的專用器件。IXP2400是Intel公司第二代高性能網(wǎng)絡(luò)處理器之一，是在第一代網(wǎng)絡(luò)處理器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高性能的并行處理結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法、深入查看包內(nèi)容、進(jìn)行流量管理及以線速(2.4 Gb/s)轉(zhuǎn)發(fā)包等；并首次采用Intel的超任務(wù)流水線技術(shù)，允許將1個(gè)包處理任務(wù)分解為多個(gè)易于銜接的、有序的子任務(wù)，并確保微引擎間通信的低時(shí)延。在體系結(jié)構(gòu)上，具有以下特點(diǎn)：
　　(1)多處理單元結(jié)構(gòu)，各單元獨(dú)立運(yùn)行，并以硬件實(shí)現(xiàn)多線程技術(shù)，線程間無(wú)任何需切換開(kāi)銷。
　　(2)以軟件流水線的形式分派任務(wù)到各處理單元，各處理單元可并行操作。
　　(3)ALU采用優(yōu)化過(guò)的指令，專用于數(shù)據(jù)包處理，1條指令能在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。
　　(4)具有一些完成特殊功能的硬件單元，如CRC校驗(yàn)、Hash計(jì)算、甚至加/解密運(yùn)算單元，用于加速專用處理。
　　IXP2400的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其主要功能部件如下^[1]：
　　(1)XScale：32位的RISC高性能通用處理器，用于初始化、管理整個(gè)芯片，同時(shí)能執(zhí)行高層網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)，如復(fù)雜的算法處理、路由表維護(hù)等。
　　(2)Microengine(MEv2)：8個(gè)相互獨(dú)立的32 bit可編程微引擎，是處理數(shù)據(jù)的主要場(chǎng)所，各微引擎間用寄存器通信。每個(gè)微引擎主要包括：1個(gè)存放該微引擎運(yùn)行程序的控制存儲(chǔ)器、8個(gè)硬件支持的線程、數(shù)據(jù)通路和控制狀態(tài)寄存器、1個(gè)ALU及1個(gè)CRC單元等。
　　(3)存儲(chǔ)器控制器：用于控制訪問(wèn)片外RAM，包括SRAM、DRAM。SRAM主要用于存儲(chǔ)各種控制信息，如路由表等；DRAM主要用作數(shù)據(jù)處理的緩沖區(qū)。
　　(4)Scratch：片內(nèi)的16 KB通用存儲(chǔ)器，存放各種經(jīng)常需快速查找的數(shù)據(jù)。
　　(5)Hash：能對(duì)48 bit、64 bit或128 bit的數(shù)據(jù)作Hash運(yùn)算，并生成索引。
　　此外，IXP2400中還采用了一些如硬件隊(duì)列等技術(shù)來(lái)提高ALU的處理速度。
2 IPSec的工作原理
　　IPSec的安全服務(wù)是通過(guò)在IP層對(duì)所有數(shù)據(jù)流使用密碼和安全協(xié)議聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，能保證應(yīng)用程序通信的安全性。它能應(yīng)用于防火墻和路由器等網(wǎng)關(guān)設(shè)備，對(duì)上層應(yīng)用是透明的。
　　IPSec利用2種通信安全協(xié)議^[2]：認(rèn)證頭(AH)和封裝安全載荷(ESP)。還有用于密鑰交換和管理的Internet密鑰交換協(xié)議(IKE)^[2]和相應(yīng)的認(rèn)證/加密算法等協(xié)議組件。AH和ESP既可用于保護(hù)一個(gè)完整的IP包，也可以用來(lái)保護(hù)IP包中的上層數(shù)據(jù)。此外，還可以組合使用，實(shí)現(xiàn)不同的安全保護(hù)級(jí)別。AH和ESP使用2種工作模式^[3]：傳輸模式和隧道模式。
　　由于IPSec體系設(shè)計(jì)與算法無(wú)關(guān)，因而可以為不同的通信對(duì)等體選擇不同的安全算法。為維護(hù)這些動(dòng)態(tài)存在的安全策略，在實(shí)現(xiàn)IPSec時(shí)，需要定義相應(yīng)的安全策略數(shù)據(jù)庫(kù)(SPD)，其中的每1條記錄就是1條安全策略。
　　為正確處理具有IPSec功能的IP包，IPSec通信對(duì)等體需要將經(jīng)協(xié)商一致后所采用的安全協(xié)議、工作模式、加密/認(rèn)證算法、密鑰等信息與所建立的鏈路結(jié)合起來(lái)，才能為不同的數(shù)據(jù)流提供不同的安全保護(hù)。其實(shí)現(xiàn)方法就是在IPSec通信對(duì)等體間建立安全關(guān)聯(lián)(SA)。SA是通信對(duì)等體之間為進(jìn)行安全通信而協(xié)商的一種約定。SA可由1個(gè)三元組唯一標(biāo)識(shí)，表示為安全參數(shù)索引(SPI)，目的IP，安全協(xié)議標(biāo)識(shí)>。
　　為維護(hù)所有活動(dòng)的SA參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)IPSec時(shí)，需要定義相應(yīng)的SA數(shù)據(jù)庫(kù)(SAD)。IKE的主要功能就是在IPSec通信對(duì)等體間動(dòng)態(tài)進(jìn)行通信參數(shù)協(xié)商^[4]，并提供經(jīng)認(rèn)證的密鑰信息，從而建立起SA，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和管理。
3 IPSec在IXP2400中的實(shí)現(xiàn)
3.1 程序設(shè)計(jì)
　　網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中，網(wǎng)絡(luò)信息的處理通常包含在以下2個(gè)邏輯層面中^[5]：
　　(1)數(shù)據(jù)層面：負(fù)責(zé)高速處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。因所有要處理的數(shù)據(jù)包都必須通過(guò)該層面，故其性能直接影響到整個(gè)程序的性能。
　　(2)控制層面：主要處理協(xié)議信息，并負(fù)責(zé)創(chuàng)建、配置及更新各種表和數(shù)據(jù)集，供數(shù)據(jù)層面查找使用。如處理含路由信息的RIP、OSPF包，然后更新IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表，供數(shù)據(jù)層面使用。
　　網(wǎng)絡(luò)處理器就是完成這2個(gè)層面的功能。
　　在IXP2400中，將數(shù)據(jù)層面分為快速通道和慢速通道?？焖偻ǖ乐饕筛魑⒁鏄?gòu)成，完成絕大多數(shù)包的正常處理，如IP包轉(zhuǎn)發(fā)等；慢速通道主要由XScale構(gòu)成，處理少數(shù)需復(fù)雜處理的包，如異常包、包分段等。考慮到處理速度的要求，在快速通道中通常將處理任務(wù)以軟件流水線形式分配到多個(gè)微引擎中實(shí)現(xiàn)，每個(gè)微引擎以編程方式實(shí)現(xiàn)所指定的任務(wù)。當(dāng)一個(gè)微引擎完成其任務(wù)后，將包傳到下一微引擎繼續(xù)處理，直至完成整個(gè)任務(wù)。每個(gè)微引擎的流水線又可由若干流水線級(jí)構(gòu)成，這些流水線級(jí)是順序執(zhí)行的。由于每個(gè)微引擎有8個(gè)線程并發(fā)(甚至有數(shù)個(gè)微引擎的線程在并行)執(zhí)行相同任務(wù)，因而要按序正確處理數(shù)據(jù)包，就必須考慮各線程訪問(wèn)臨界區(qū)代碼的同步問(wèn)題。為保證指令盡可能少，以達(dá)到線速要求，一種處理方法就是：在一個(gè)微引擎中讓各線程順序執(zhí)行，并且每個(gè)線程順序執(zhí)行所有流水線級(jí)。如某個(gè)流水線級(jí)的功能對(duì)所處理的包并不要求，則在執(zhí)行到該流水線級(jí)時(shí)必須進(jìn)入等待，當(dāng)線程下一次獲得運(yùn)行時(shí)再執(zhí)行下一流水線級(jí)；如有數(shù)個(gè)微引擎在并行執(zhí)行同一任務(wù)，則必須考慮微引擎間的執(zhí)行順序?？梢?jiàn)，將少數(shù)包要求的復(fù)雜處理任務(wù)交給XScale，能有效減少微引擎不必要的等待時(shí)間，加快數(shù)據(jù)的處理速度。
　　對(duì)于控制層面，因所要處理信息復(fù)雜、廣泛，涉及的指令范圍廣，數(shù)據(jù)層面中的快速通道是難以處理的，因而應(yīng)放在XScale中實(shí)現(xiàn)^[5]。
　　通常，將快速通道處理任務(wù)按邏輯劃分為若干功能塊，在可編程的微引擎中，每一塊實(shí)現(xiàn)稱為一個(gè)微功能塊(microblock)。而將運(yùn)行在XScale中的微功能塊對(duì)應(yīng)的慢速通道處理部分稱為核心組件(Core Component)，完成相應(yīng)微功能塊的配置、初試化及維護(hù)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并處理微功能塊發(fā)送的異常包或信息。此外，各種路由協(xié)議也運(yùn)行在XScale中，處理各種協(xié)議信息。這樣實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)層面和控制層面的分離，兩層面間可用標(biāo)準(zhǔn)API通信。
　　將所有任務(wù)放在一個(gè)IXP2400中實(shí)現(xiàn)，可能滿足不了線速要求，因而通常將任務(wù)分配到2個(gè)IXP2400來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣對(duì)于需要較多指令的微功能塊，可指定多個(gè)微引擎并行運(yùn)行，適當(dāng)增加每個(gè)微引擎的執(zhí)行時(shí)間。
3.2 系統(tǒng)功能
　　綜上述分析，實(shí)現(xiàn)方案的系統(tǒng)框圖如圖2所示。