网络处理器平台之设计与应用

摘要 因特网、企业网络等网络应用的带宽需求急剧上升，传输、检查、拆分、组合、搜寻、内容比对、转递等IP封包运算处理动作，以往可以靠软件程序在一般X86微处理器上完成，搭配以网卡做封包出入口。但是近年来这些封包的运算处理越来越复杂，将数据输入处理单元，完成后再将结果送往输出单元，慢速处理造成的时间延迟会严重影响到数据吞吐量，无法满足Line Rate Operation的需求。Intel 公司提供的网络处理器系列产品专门用来解决这样的问题，IXP-4XX属于较低端的系列，本文则集中探讨IXP-2XXX系列高端网络处理器，文中将以IXP-2400处理器在凌华科技cPCI-6240系列产品的设计为例做出说明。 以下将先介绍IXP-2XXX处理器的功能特性，再探讨处理器的平台设计、应用开发，最后探讨它在网络安全领域的应用，以入侵检测系统为实例做出说明。 Intel IXP-2XXX 网络处理器 Intel XP-2XXX系列网络处理器大致包含：IXP-2400、IXP-2800及IXP-2850，请参考表一的性能差异。除此之外，Intel还考虑比照了IXP-42X系列的做法，高度整合MACs等功能模块，建造优异的性价比产品，使这一系列处理器的应用更普及化。 表一、IXP-2XXX系列比较表 全系列IXP-2XXX网络处理器都可拆分为『控制管道』(Control Plane)及『数据管道』(Data Plane)两大部分。参考图一 IXP-2400网络处理器，它内建一颗600MHz 32-bit XScale来负责Control Plane的处理工作，XScale执行相当底层的控制工作，包括信息传送，还有跟系统内其它处理器的沟通。Data Plane则由内建的八颗微处理引擎(Micro-Engine Version 2, MEv2)来做平行处理，MEv2是XScale精简下来的 (Reduced) 可程序处理器，使用者可用Micro-Code汇编语言或是高端Micro-C语言撰写应用程序，透过指令告诉这八颗MEv2怎样处理封包运算，以达到应用目的。 图一：IXP-2400的外部接口 图一是IXP-2400示意图外观，它有两个信道的QDR SRAM接口，存放重要的数据结构，比如：Route Tables， Free Buffer Pools，Flow State Tables，Queue Descriptors等等重要的信息，其中一个信道还可以接一颗协处理器，做TCP/IP封包比对时的内存搜寻引擎，加速决定封包的协议属性跟流向(Flow)。DDR DRAM则用来储存封包以及大量的State tables，另外C-bus接口可以连接第二颗处理器，这是采用一进一出架构的双处理器设计时用的。 另两个重要接口，一个是64-bit/66MHz PCI 2.2接口，作为Control Plane连通的Bus，可以透过此接口外挂控制处理器，像是PrPMC控制卡；另一个是Flash界面，是存取RedBoot的通道，Redboot相当于X86系统的BIOS；媒体及切换接口(Media and Switch Fabric Interface, MSF)是网络封包进出处理器的主要途径，视应用可以规划为SPI-3、CSIX或是UTOPIA Level2接口。 图二是IXP-2400内部示意图，内部的SHaC 是一个多功能控制单元，内含Hash单元，可以建立48-bit,64-bit或是128-bit宽的 Hash indices，XScale与MEv2可存取Hash来帮助Table的搜寻，特别是要搜寻的Keys很大时；第二个单元是16KB的Scratch Pad memory，这是处理器内第三个内存资源，XScale与MEv2可共同存取，三种内存资源可以让海量存储器存取同时间平行发生；第三个单元是Control and Status Register (CSR)，起到9颗处理器（1 * XScale + 8* MEv2）之间沟通的作用。 除此之外，还有 XScale 外围，包含中断控制器、Timers, UART、GPIO等单元。在处理器内部，XScale、MEv2、DRAM Controller、SRAM Controller、T/R-Buffer之间透过 Chassis Bus，将 Data Plane 的路径在处理器内部连通起来，这些控制单元可以共享 SRAM、DRAM 等内存资源做数据交换。 图二：IXP-2400功能单元及数据信道 网络处理器的『平台设计』、『应用开发』 (一)平台规划、开发 平台规划 设计IXP-2XXX平台首先要先为产品做准确的定位，定义平台最终应用、带宽需求、封包处理效能等级。若是想一半接到ATM网络，则MSF接口有一半要规划成Utopia Level 2接口，连接的ASIC像是Intel IXF-6012/6048 Cell/Packet Framer；若是要直接连IP网络，则MSF接口规划成SPI-3或是CSIX，连接像Intel IXF-1104 (Quad Giga-E MACs的ASIC)；或是接FIC(Fabric Interface Controller) 的ASIC。另外规划时要全面考虑：Control Plane的处理效能、是否外挂辅助处理器、开机影像文件下载速度；Data Plane则须考虑SRAM大小、DRAM资源使用、是否须加密功能 (IXP-2850有)、是否外挂网络搜寻加速器、是否外挂内容检查加速器等、要多少个网络接口。这些硬件规格要根据功能应用，做整体效能评估才行，在开案初期要审慎评估。 平台开发 包括硬件、Redboot、系统支持套件(Board Supporting Package, BSP)，BSP内含组件驱动程序。其中硬件设计跟一般X86运算平台没什么两样，记得要预留软件除错端口，就像X86-CPU的 ITP Port一样；Redboot则相当于X86 BIOS，系统初始化、自我测试、Boot Loader都包在Redboot内；Redboot及BSP可以藉由Intel IXA SDK得到帮忙，建立以XScale为处理核心的操作系统平台，最后这三大要素即可建立一个完整的网络处理器平台。 (二)应用程序开发 Intel 建立了IXA 软件可携式架构，让今天花力气辛辛苦苦在IXP-2400建立起来的软件，明天在下一代IXP-2XXX仍然适用，而这个软件架构可以简单用图三表示。 应用程序的开发也可以藉由Intel IXA SDK得到帮忙，考虑到投资杠杆效应，Intel IXA软件程序架构采用模块化，SDK提供一些基本的microblocks，开发者再开发自有的microblocks，将这些microblocks视为基础组件(Building Blocks)，去组合实现实际的功能应用，让开发者的工作简单化，也缩短TTM时间。 图三：Intel IXA 可携式软件架构 网络安全的需求 据统计，2000年企业及政府部门遭受黑客(Hacker)攻击的比率高达85%，而网络安全的漏洞不是防止黑客入侵就解决了，其它像是遭窥探者窃取机密性数据，或是心怀不满的员工蓄意破坏系统内重要档案，警觉性不足的员工外泄重要密码、不小心由Email引入计算机病毒等，都是威胁网络安全的几个危险因素。 为了让区域内网络维持安全运作，建立一套安全防护网才是根本解决之道，较完整的防卫机制大概有三层： （一）虚拟私有网络(VPN) （二）防火墙(Firewall) （三）入侵检测系统(Intrusion Detection System; IDS)。 三种应用各有不同的系统规格需求，VPN 的系统需将信息全数打乱再丢到网络上，透过加密机制在公开的网络里建立起加密通道(Encrypted Tunnel)，接收端再解密取得真实信息，在浩瀚的因特网内建立起安全私密的虚拟局域网络；Firewall则像大楼管理员，检查来访封包的通行许可证，包含检查封包的来源、目的地、连接块等字段，但是防火墙并没有办法挡掉所有的入侵者，此时就须要另一道防线IDS；IDS 就像网络上的监控摄影机，可以分析流经的封包数据，侦测未经授权的行为，IDS大致区分为「网络系统」跟「主机系统」两类。基本上IDS需求的系统处理能力可以涵盖VPN及Firewall的需求，因此接下来我们就以较复杂的IDS为例做IXP-2400的应用说明。 入侵检测系统的应用 图四是采用IXP-2400为核心建立的IDS系统结构图，凌华采用IXP-2400内建的XScale去控制管理Control Plane的组件，内建的八颗MicroEngine去收送处理封包的分类及内容比对，处理Data Plane的运算。IXP-2400的QDR SRAM通道0也叫做LA-1(Look Aside Interface)接口，可以选择接市面上现有的TCAM(Ternary Content Addressable Memory) 辅助处理器，帮忙做第三层以下封包数据搜寻比对的工作，帮IXP-2400处理器卸载(offload)一些运算负担。 图四 IXP-2400在网络安全的应用－『入侵检测系统』方块图 图五 ADLINK cPCI-6240系列网络安全平台 网络安全系统内最关键性的功能可以说是封包表头辨识(Classification)及内容检查(Content Inspection)，表头辨识是针对其流向、连结、输入端口及目的地址等做比对；内容检查则有复杂的算法，处理带宽及内存容量需求极高，很显然内容检查即将是此系统非常严重的交通瓶颈所在，这个运算将耗用大量IXP-2400网络处理器的运算资源。因此必须采用另一颗处理器卸载此运算，有两种方法可行，其一是如图四：加入一颗可编程内容检查引擎(Programmable CIE, Content Inspection Engine)，比如IDT PAX.port 2500 CIE；或是在封包经网络处理器集结成较大封包后，进入一张专属内容检查的高速运算服务器，比如ADLINK cPCI-6860 Dual-Xeon Server Blade。加CIE的做法可以卸载95% 的MicroEngine资源使用量，删除掉85%的MicroCode，同时削减75%内存带宽使用量，成本可大大节省，TTM(Time to Market)时间可以显著缩减。加一张专属服务器则维持旧有软件延续使用，节省软件开发的时间及人力成本，两者各有优点，但是CIE是纯硬件运算所以效率较好，从长远角度看