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

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)，線程間無任何需切換開銷。
　　(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。

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　　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)是通過在IP層對所有數(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)與算法無關(guān)，因而可以為不同的通信對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(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，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通信對等體間建立安全關(guān)聯(lián)(SA)。SA是通信對等體之間為進(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，表示為<安全參數(shù)索引(SPI)，目的IP，安全協(xié)議標(biāo)識>。
　　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(SAD)。IKE的主要功能就是在IPSec通信對等體間動(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構(gòu)成，這些流水線級是順序執(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臨界區(qū)代碼的同步問題。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。如某個(gè)流水線級的功能對所處理的包并不要求，則在執(zhí)行到該流水線級時(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；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?，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來實(shí)現(xiàn)。這樣對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。

　　其中，接收微功能模塊(Receive Microblock)和發(fā)送微功能模塊(Transmit Microblock)用于數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送，發(fā)送隊(duì)列(Transmit Queues )用于數(shù)據(jù)包的隊(duì)列管理、調(diào)度，IP轉(zhuǎn)發(fā)微功能模塊(Forwarding Microblock)用于一般IP包的簡單轉(zhuǎn)發(fā)(包括路由通告等)，核心組件是相關(guān)微功能塊的慢速通道處理部分，如異常處理等；XScale中還運(yùn)行嵌入式OS、各種協(xié)議及高層處理程序等。
　　IPSec處理微功能模塊(Processing Microblock）是系統(tǒng)的主要部分，包括以下主要功能：協(xié)議核心、AH/ESP處理模塊、SPD、SAD。其中,AH/ESP處理程序負(fù)責(zé)根據(jù)SA中定義的安全服務(wù)按照AH/ESP協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理；SPD和SAD以適當(dāng)?shù)牟檎冶斫Y(jié)構(gòu)存放在片外的SRAM中，但該微功能塊中有各自的快速訪問接口，供其查詢數(shù)據(jù)使用(在XScale中也有訪問這2個(gè)數(shù)據(jù)庫的接口，以便維護(hù)其中的數(shù)據(jù))；協(xié)議核心主要是協(xié)調(diào)以上各部分的工作，解釋獲取的IP包等。
3.3 數(shù)據(jù)處理過程
　　IPSec模塊是整個(gè)IPSec系統(tǒng)的核心，處理包的過程如下：
　　(1)線程摘取1個(gè)IP包，判斷是否是經(jīng)分段的，若是，該線程進(jìn)入等待狀態(tài)，下一線程開始運(yùn)行。在所有分段到達(dá)并重組后，進(jìn)入下一步處理。
　　(2)使用選擇符檢索SPD，若查找失敗，拋棄包;若返回的動(dòng)作是“拋棄”，拋棄該包。對于不包含IPSec頭的包，若返回的是“繞過”，將包交給IP轉(zhuǎn)發(fā)模塊處理(若目的IP是本機(jī)，將其交到XScale中，由相應(yīng)程序處理，否則轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn))；若返回的是“應(yīng)用”，進(jìn)入(4)處理。對于包含IPSec頭的包，若返回的是“應(yīng)用”，且包的目的地是本機(jī)，則進(jìn)入(3)處理；若目的地不是本機(jī)，則進(jìn)入(4)處理。
　　(3)用檢索SPD返回的三元組搜索SAD，若沒有匹配的SA，則丟棄該包；否則，按SA中的定義進(jìn)行處理，主要包括：
　?、僦匕l(fā)檢查：用序列號及溢出標(biāo)志、重發(fā)窗口大小檢查包是否有效。
　　②數(shù)據(jù)包驗(yàn)證：用指定的認(rèn)證算法及密鑰，驗(yàn)證數(shù)據(jù)包。若ESP沒選擇認(rèn)證，則不做。
　　③解密：若是ESP協(xié)議包，則用指定的加密算法及密鑰，解密數(shù)據(jù)包。
　　以上處理失敗，則丟棄該數(shù)據(jù)包；若包中還有IPSec頭，需選擇新的選擇符，重復(fù)(2)、(3)。
　?、苤貥?gòu)IP包交給IP轉(zhuǎn)發(fā)模塊處理。
　　(4)用檢索SPD返回的三元組搜索SAD，若沒有匹配的SA，線程向XScale發(fā)出IKE的服務(wù)請求，由IKE服務(wù)程序與通信對等體協(xié)商建立相應(yīng)的SA，并記入SAD。具備SA后，有序進(jìn)行如下處理：
　?、俑鶕?jù)SA中指定的安全協(xié)議及操作模式，調(diào)用對應(yīng)的處理模塊，為數(shù)據(jù)包生成協(xié)議頭。
　?、谌舨捎脗鬏斈Ｊ?，只需將原IP頭中的協(xié)議類型改為上一步中所用協(xié)議；若是隧道模式，則需要以隧道兩端的IP作源、目的IP和上一步中所用協(xié)議，生成新的IP頭，封裝原IP包。
　?、蹖SP協(xié)議,按SA中指定的加密算法和密鑰，對包的相應(yīng)部分加密。
　?、馨碨A中指定的認(rèn)證算法，對包的相應(yīng)部分進(jìn)行認(rèn)證。
　?、菪薷挠嘘P(guān)數(shù)據(jù)，重新計(jì)算校驗(yàn)和；若需要分段處理，將包交給XScale中處理。
　　(5)經(jīng)以上處理后，將包安排到對應(yīng)端口的隊(duì)列中，經(jīng)調(diào)度后由傳送模塊經(jīng)重新添加MAC幀頭后發(fā)送。
　　值得一提的是，在以上過程中，由于是多線程處理，因而在1個(gè)微引擎中，一個(gè)線程進(jìn)入等待狀態(tài)，另一個(gè)線程立刻運(yùn)行，這一過程由編程者控制完成的。下面的程序段是數(shù)據(jù)處理過程的主要控制部分：
　　while(1){
　　dl_source();?? ????? 　　　　　　　　　　　//從接收線程取下包描述符
　　if(dlBufHandle= =0){ continue; }
　　Ethernet_validate();?　　　　　　　　　　　// 驗(yàn)證這個(gè)包是一個(gè)有效的以太網(wǎng)頭
　　Ethernet_strip_header(); ????????????????? //去掉以太網(wǎng)頭
　　IPSec_process(); ??????????????????????? 　//IPSec處理
　　IPv4_five_tuple_class();??　　　　　　　　 //進(jìn)行IPv4 classifier的轉(zhuǎn)發(fā)
　　If(dlNextBlock= =IX_DROP){???????????????? //clNextBlock全局變量，
???　　　　　　　　　　　　??????????????????? //表示下一個(gè)
　　Goto drop; ?　　　　　　　　　　　　?????? //跳轉(zhuǎn)到丟棄包的處理模塊
　　}
　　Ethernet_add_header();?????????　????????? //添加新的以太網(wǎng)頭
　　D1_sink();　　　　　　　　　　　　　 　??? //將處理后的包描述符放入發(fā)送緩沖區(qū)中
　　Drop:
　　Dl_BufDrop(dlBufHandle);??????????????????? //丟棄包的處理
　　}
　　IPSec被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)VPN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在Internet的安全通信中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前對網(wǎng)絡(luò)通信不斷提出了速度和安全的更高要求，以兼?zhèn)渫ㄓ肅PU的靈活性和ASIC芯片執(zhí)行速度的網(wǎng)絡(luò)處理器為核心實(shí)現(xiàn)高速安全網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用研究重點(diǎn)。

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