摘 要：從網絡處理器NP（Network Processor）對數據包接收、處理和發送的角度，討論在NP架構下多微引擎、多線程并行處理網絡數據包，實現基于包過濾方式防火墻的原理。
關鍵詞：網絡微處理器；防火墻；包過濾；微引擎；并行處理
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防火墻是當今計算機網絡安全的主要設備之一。隨著網絡數據量的增大、速度的增高，軟件防火墻已不能勝任，硬件防火墻成為大流量、高品質防火墻產品的首選。硬件防火墻的實現方案有采用網絡處理器ASIC技術實現芯片級防火墻和采用網絡處理器NP（Net Processor）技術實現微處理芯片防火墻兩種。對兩種方案進行比較，ASIC處理速度快，數據吞吐量大，但開發難度大，開發周期長，很難適應快速變化的網絡環境而升級換代；NP技術實現方案靈活，也較ASIC開發難度小，開發周期短，可以根據情況快速升級。NP技術是適合我國國情的硬件防火墻產品的實現方案，是目前我國硬件防火墻產品主要采用的技術[1]。
防火墻可根據其處理數據的層次分為：包過濾防火墻、狀態檢測防火墻、代理服務器防火墻和核處理防火墻。對于要求高速處理的硬件防火墻（處理能力大于2.5 Gb/s），無法完成代理服務防火墻功能和核處理防火墻功能。基于包過濾功能硬件防火墻是高速防火墻能采用的基本實現策略。以下將就NP實現包過濾的方法進行研究。
1 IXP2400網絡處理器
NP是專門為處理網絡數據包而設計的可編程處理器，它能夠并行、高速完成網絡數據處理。IXP2400是INTEL公司的第二代NP產品，它采用多內核并行結構，由1個XScale Core作為核心處理器，以及8個32位獨立可編程、支持多線程的微引擎（MicroEngine）構成。NP的體系結構可分為兩個層面：控制層面和數據層面。
控制層面由XScale Core處理，它的主要任務是完成對整個NP各部件的初始化，運行操作系統，完成復雜而非實時運算。控制層面一般安裝的操作系統是：VxWorks或LINUX等。由于控制層面是構建在一個強大的XScale Core之上，其開發與一般的嵌入式系統開發相類似。
數據層面主要負責對數據包的收發和實時數據處理，由微引擎來完成。微引擎是32位的采用RISC技術實現的微型MCU，對它的編程與傳統嵌入式系統開發不同，由INTEL提供的MicroC和MicroASM支持。微引擎和XScale Core在工作時關系如圖1所示。
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2?包過濾的規則
包過濾是基于一系列規則對進出防火墻的數據包進行過濾。規則其實是一個“if conditions then action”的判斷，一組規則構成一個規則表（如表1）。當IP數據包通過這個規則表的檢查后，允許通過的IP包就轉發，禁止通過的IP包就被攔截下來，其結果如表2所示 。對于一個小型的網絡，其規則一般有幾百個，對于一個中型的ISP服務網絡，其規則一般有數千個，對于一個大型的網絡其規則一般超過2萬個。在進行包過濾時，最重要的就是進行規則的匹配。如何快速查找匹配規則，減少存儲器容量成為包過濾算法的研究重點，參考文獻[2]中詳細地討論了一些包過濾算法。
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本文主要是討論NP在整個過程中各部分的工作，為敘述簡單將不涉及復雜的規則查找，采用線性搜索，即從上到下對規則表進行查找，在制定規則表時，優先級高的規則將被安排在表的前面。
3 基于NP的包過濾
IP數據包過濾處理由IXP2400中的微引擎完成。微引擎是一個個獨立的MCU，有自己的寄存器、存儲器，執行各自的指令序列，互不干擾，而且每個微引擎支持8個硬件線程。在數據包處理的過程中，IXP2400的8個微引擎可以采用串行流水線方式（如圖2）工作，或以并行處理方式（如圖3）工作。在參考文獻[3]中指出并發處理比串行流水線處理的效率要高25％。
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在串行流水線工作方式中，每一個微引擎（ME）完成的工作不同，當一個微引擎完成其工作后，將數據包交給下一個微引擎繼續后續工作，所以每一個微引擎執行的代碼不同。在并發處理方式中，每一個微引擎完成的任務相同，每一個微引擎所執行的代碼相同。本文在安排微引擎時，包的接收采用ME0，當它處理完后將結果交給ME1～ME6，這6個微引擎并發對數據包進行規則匹配，匹配結束后將包交由ME7完成發送任務。整個包過濾處理結構既有串行方式，又有并發方式，這是因為在整個處理過程中，進行規則匹配所需的時間和運算都比接收和發送的要多，將更多的處理能力部署在這一環節，可以消除整個系統處理的瓶頸。
3.1 接收處理的實現
MSF（Media Switch Fabric Interface）是IXP2400連接網絡的接口。它具有8 KB的RBUF（接收緩沖）和8 KB的TBUF（發送緩沖）。當外部以太網幀（Packet C）進入MSF時，MSF將數據幀分割成若干個大小為64B（或128/256 B）的mpacket，mpacket存放在RBUF中，每一個mpacket占據RBUF的一條目。當RBUF中有有效條目時，MSF將發出一個RBUF有效信號。在MSF中，有一個RX_THREAD_FREELIST數據結構，該結構登記了用于處理接收任務的空閑線程。本文將ME0中空閑線程登記在這里，并按順序排列成接收線程鏈。當一個空閑線程接收到一個RBUF有效信號的觸發時，便會進入忙狀態，進行一次mpacket的接收循環；當循環結束后，這個線程將重新回到空閑狀態，并重新鏈入RX_THREAD_FREELIST。各線程在接收mpacket時，以無限循環方式進行，一次循環中完成如下工作：
（1）檢查mpacket是否SOP（Packet C進入MSF時，被分割成多個mpacket，其中第一mpacket就是SOP）或EOP（Packet C中最后一個mpacket）；
（2）如果是SOP，線程將在DRAM中開辟一個新Buffer，并將mpacket拷貝至其間，如果不是SOP則緊接著前面拷貝的內容進行拷貝。這樣可以將一個被分割的包重新組合起來；
（3）如果是EOP，意味著Packet C的結束，在拷貝完此mpacket后，線程將在SRAM中的接收隊列中將此Packet C的包句柄（PC）插入到隊列的尾部。接收過程如圖4所示。
每個線程一次循環只處理一個mpacket，如果一個包分成幾個mpacket，則由幾次這樣的循環完成接收。由于每個IXP2400的微引擎都有8個硬件支持的線程，在接收包處理時，可以出現多個線程并發接收多個mpacket，這樣效率當然會很高，但同樣也可能打亂Packet C的重組。為避免這種情況的發生，各線程的工作次序是嚴格規定的。各空閑線程在RX_THREAD_FREELIST登記時，就按順序登記，線程1在最前，線程8在最后。當第一個觸發到來時，則觸發線程1，線程1在處理時，若再接收到觸發時，線程2接收觸發，如此類推，當線程1處理完后，它跟在線程8后面，如此形成一個閉合的線程處理鏈。在將數據從RBUF拷貝至DRAM的過程中，線程要經過一個對線程序號敏感的微處理塊，以保證多線程在拷貝過程中是按順序進行的。
3.2 規則匹配處理的實現
本文所涉及的規則表中規則數目較少，搜索匹配規則的方法也相應簡單，采用的是線性搜索方法。處理的流程如圖5所示。
如前所述，采用ME1～ME6共6個微引擎同時對數據包進行包過濾，每個微引擎有8個線程，所以可用于包過濾的線程有6×8＝48個，每個線程都采用無限循環方式。當接收隊列中有有效元素，便發出處理信號。在線程池中，處在等待狀態的某一線程便會從SRAM中的接收隊列取出頭元素。接著，線程根據所取得元素中的包句柄從DRAM中將幀首部讀進來，然后判斷是否是一個有效的以太網幀。如果不是，則丟棄包，并返回等待狀態。如果是有效幀，則從DRAM中讀出IP首部，對在SRAM中的規則進行匹配。包過濾規則由XScale Core在SRAM 中建立一個規則表，并可根據實際情況對表進行增加和刪除。線程從SRAM中將一條規則讀進來，進行匹配運算。若匹配，則根據規則中允許/禁止進行后續工作；若允許，則將把DRAM中對應的包的句柄作為新的元素插入SRAM中的發送隊列中；若禁止，則釋放DRAM中對應的包空間，并返回線程的等待狀態。若不匹配，則從SRAM中讀入下一條規則，重復以上工作，直到最后一條；如果仍找不到匹配規則，則將接下來的工作交給XSale Core完成。
每個包過濾線程完成一個包的過濾，從接收隊列中將包句柄一一取出，處理完后，再在發送隊列中將其插入到隊列的尾部。但可能因為有些包處理得快，有些包處理得慢，使原來的接收順序因為處理速度的不同而打亂。為了使發送隊列句柄的順序保持與接收隊列一致，采用了阻塞式順序包算法（Blocking Packet-ordering Athorithm）[4]。
3.3 發送處理的實現
發送任務由ME7來完成，ME7有8個線程，每個線程完成如下工作：（1）線程發現發送隊列中的有效包句柄則從SRAM的發送隊列中將隊列頭元素取下來；(2)計算每個mpacket在包中的位置，把包從DRAM中以mpacket大小拷貝到TBUF中，其中TBUF是MSF中的發送緩沖區；(3)寫入TBUF的單元控制字，表明TBUF包含有效數據；(4)當MSF收到EOP標志的mpacket時，表明該包結束，此后該包將交由外部的MAC設備傳輸。其過程如圖6所示。
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一個發送線程一次循環只負責一個mpacket的操作，周而復始。如同接收線程那樣，發送線程排好隊，如流水線般將發送隊列中的元素對應的包，分解為mpacket單元，并逐個按順序搬運到TBUF緩沖區。
在上述包過濾規則匹配時，微引擎會多次訪問DRAM，以及在SRAM中進行搜索。當規則表中有較多規則時，查找規則的算法會變得相當復雜，將嚴重影響防火墻的處理速度。要使防火墻能快速地完成包過濾功能，可采用2個層次的手段：其一，改進查找算法，比如使用基于狀態的動態包過濾算法；其二，充分應用NP內部的并行處理架構，安排好各微引擎工作內容，協調好微引擎內各線程的工作，使NP能高效并行地運行。
參考文獻
[1] 宋斌，程勇，劉科全．NP架構千兆線速防火墻的體系結構與關鍵技術，信息安全與通信保密，2004(8)：22-25.
[2]?PANKAJ G，KEOWN M．Algorithms for packet classification．New York:IEEE，March/April 2001：24-32.
[3]?DEEPA S，FANG，Wu Chang. Performance analysis of multi-dimensional packet classification on programmable network processors. New York： IEEE，Proceeding of the 29th Annual IEEE International Coference on Local Computer Networks (LCN’04).
[4]?ERIK J.J，Aaron R K. IXP2400/2800 Programming．INTEL PRESS.