用CAM實現(xiàn)OC

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展的今天，在網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)(NIDS)中，大部分的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測設(shè)備幾乎都依賴于一些基于特征碼檢測的字符串匹配算法，而字符串匹配算法的實現(xiàn)幾乎都是由軟件來實現(xiàn)的。目前應(yīng)用比較成功的實例有，Snort軟件使用字符串匹配算法對包含特征碼的數(shù)據(jù)包進行檢測。但是軟件在內(nèi)容字節(jié)流中進行搜索匹配時，需要在不同的處理單元中/內(nèi)搬移或讀取數(shù)據(jù)，這對于高速實現(xiàn)線速(OC-48)的檢測系統(tǒng)來說，帶來了很大的處理負荷。因此，如果采用硬件在數(shù)據(jù)包進入內(nèi)存之前實現(xiàn)字符串匹配這一功能，將大大減少后端軟件操作的處理負載。

基于IXP2400和FPGA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IXP2400是英特爾公司推出的第二代網(wǎng)絡(luò)處理器芯片，大量應(yīng)用于寬帶接入、防火墻、NIDS和負載均衡等系統(tǒng)中，它能滿足OC-48網(wǎng)絡(luò)線速的處理要求。玉衡銥達公司設(shè)計開發(fā)的骨干網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)采用了IXP2400作為數(shù)據(jù)包主處理器，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理器的硬件架構(gòu)來實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

如圖1所示，系統(tǒng)外接了4個千兆光口，用以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，它是整個監(jiān)控系統(tǒng)和骨干網(wǎng)絡(luò)的交際通道。光口數(shù)據(jù)包通過光模塊進入PMC-Sierra公司的MAC3386芯片。接收數(shù)據(jù)包時，以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)包從千兆光口進入MAC3386，MAC3386對數(shù)據(jù)包進行解碼后通過POS PHY3接口進入FPGA的FIFO單元，同時對進入FPGA的數(shù)據(jù)包進行模式字符串(Pattern-String)的匹配操作，處理后的數(shù)據(jù)包通過POS PHY3接口傳輸?shù)絀XP2400的MSF單元進行下一步的處理。發(fā)送時，F(xiàn)PGA只需要將IXP2400發(fā)送來的數(shù)據(jù)包通過POS PHY3接口傳輸給MAC3386，MAC3386對數(shù)據(jù)包進行編碼后發(fā)送給光模塊，光模塊通過光口將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。IXP2400提供了一組數(shù)據(jù)總線來訪問外部設(shè)備寄存器，IXP2400中稱之為慢端口(Slow Port)。在這里，和FPGA相連的慢端口總線的一部分功能是作為寫入FPGA的模式字符串通道。

圖1：基于IXP2400和FPGA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

POS PHY3是一種標準化的網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，接口數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps，最大支持OC-48的傳輸速率接口。POS PHY3包括接收和發(fā)送兩組32位總線，工作頻率為104MHz，峰值吞吐率為3.2Gbps。支持2.5Gbps數(shù)據(jù)包的全雙工操作。POS PHY3接口接收時序圖如圖2所示。

圖2：POS PHY3接口接收邏輯時序圖。

該時序圖描述了POS PHY3接口接收數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)流在POS PHY3總線上的傳輸方式和相關(guān)的控制信號關(guān)系。關(guān)于更進一步的詳細描述可以參考POS PHY3接口標準文檔。

系統(tǒng)采用時鐘同步設(shè)計，在時鐘上升沿進行數(shù)據(jù)采樣，與FPGA相連的MAC3386、IXP2400的工作時鐘由FPGA的DCM單元提供，可以保證數(shù)據(jù)采集的同步和穩(wěn)定性。

CAM的設(shè)計

本設(shè)計中，由于要實現(xiàn)幾路32B的模式字符串匹配，需要占用大量的RAM存儲單元，同時還得為數(shù)據(jù)包緩存FIFO保留一定的存儲單元，綜合幾家FPGA芯片廠商RAM的存儲容量，決定選用賽靈思的Virtex2或Virtex Pro系列的FPGA芯片，因為對于相同規(guī)模的邏輯資源和寄存器資源來說， Virtex2或Virtex Pro系列的FPGA芯片的RAM容量比其他廠商都要多幾倍。

FPGA中，與RAM存儲單元相關(guān)的資源有三類：Block RAM、LUT、寄存器。這三類資源可以通過配置和粘合邏輯(Glue Logic)實現(xiàn)為不同類型和位寬大小的單端口/雙端口RAM、ROM、CAM、FIFO等。FPGA中CAM的實現(xiàn)和配置非常靈活，CAM是實現(xiàn)模式字符串模式匹配的核心資源。

CAM即內(nèi)容可尋址存儲器。CAM這種存儲器在其每個存儲單元都包含了一個內(nèi)嵌的比較邏輯，CAM基于內(nèi)容尋址，通過硬件電路并行查找，實現(xiàn)快速匹配。一般來說在一個時鐘周期內(nèi)，寫入CAM的待比較數(shù)據(jù)和其內(nèi)部存儲的每一個數(shù)據(jù)進行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲的地址和是否匹配的標識符。CAM的這種并行處理特性使得它在數(shù)據(jù)分選領(lǐng)域倍受青睞，被廣泛應(yīng)用在以太網(wǎng)網(wǎng)址搜尋、路由器中的地址交換表、高速數(shù)據(jù)處理等方面。

CAM對于高速的數(shù)據(jù)包模式字符串匹配查找操作來說，我們需要足夠快的時間來完成，如果按照POS PHY3接口標準來說，必須保證寄存器建立(Setup)時間和CAM一次查找匹配時間之和小于1個周期10ns(一般情況下，F(xiàn)PGA設(shè)計中的保持(Hold Up)時間都可以滿足，可以不予考慮)。根據(jù)FPGA芯片廠商數(shù)據(jù)手冊提供的性能基準數(shù)據(jù)，我們配置CAM存儲器選用的資源是Block RAM，配置的地址匹配類型選擇的是非編碼地址的多匹配方式(Multi Match Unencoded)，選用該項配置的CAM32_32完成一次匹配查找的操作時間為7ns左右，CAM32_32的配置大小是32位位寬，32個存儲單元的地址深度。

對于POS PHY3的接口標準來說，數(shù)據(jù)傳輸操作周期為10ns，根據(jù)性能基準數(shù)據(jù)，我們因此除去寄存器的建立時間(＜2ns)，完成一次CAM匹配操作是完全可以和POS PHY3的接口標準相匹配的。根據(jù)數(shù)據(jù)包在POS PHY3接口的傳輸字節(jié)情況和實際設(shè)計需要，我們設(shè)計了一個CAM-heap來完成數(shù)據(jù)包的一路32B模式字符串的匹配操作。一個CAM-heap是由4個相同結(jié)構(gòu)和配置的CAM32_32組成。CAM32_32是根據(jù)設(shè)計需要由自己配置定義的，其配置端口示意圖如圖3所示。

圖3：CAM32_32端口示意圖。

模式字符串匹配實現(xiàn)過程

在NIDS檢測系統(tǒng)中，先將協(xié)議解碼后的域值與事先精心提取的攻擊特征(規(guī)則)提取相應(yīng)的字段，即模式字符串，然后從數(shù)據(jù)包包頭和凈載荷中進行查找匹配模式字符串，從中發(fā)現(xiàn)潛在的攻擊行為?；谀Ｊ阶址哪Ｊ狡ヅ涫且豁梻鹘y(tǒng)而成熟的入侵檢測技術(shù)，提供了很高的準確性與廣泛性。例如：目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中大部分使用了一種被稱為智能隧道(Smart Tunnel)的技術(shù)，其特點是：服務(wù)端(或接收端)沒有綁定任何固定的端口，客戶端(或發(fā)起端)可以自行使用任意隨機端口連接服務(wù)器，如P2P(點到點)應(yīng)用(如各種P2P 下載工具、IP電話等)、IMS(實時消息系統(tǒng) 如MSN、Yahoo Pager)、網(wǎng)絡(luò)在線游戲等。他們避開了防火墻、NIDS 產(chǎn)品。但是我們可以通過上層的協(xié)議識別和動態(tài)分析網(wǎng)絡(luò)報文中包含的協(xié)議特征，發(fā)現(xiàn)其所在協(xié)議，提取相關(guān)的幾段模式字符串，然后遞交給模式字符串模式匹配引擎(FPGA)進行處理。

模式字符串匹配過程可以用紙帶傳輸?shù)倪^程來進行描述。假設(shè)一條紙帶上附有數(shù)據(jù)包的全部內(nèi)容(abcd..xyz0123456789...)，從包頭sop字段abcd開始一直到包結(jié)束eop字段，依次單個字符的向前流動，有一個匹配字符串xyz0123456789模板和該數(shù)據(jù)包進行匹配。當字符串的流入模板長度等于模式匹配字符串長度后就進行比較，數(shù)據(jù)包字符串每向前流進一個字符，模式匹配字符串就和數(shù)據(jù)包流入的字符串匹配一次，直到數(shù)據(jù)包最后的字符串流入模板，查找結(jié)束。如果字符串流入直至流出過程中，數(shù)據(jù)包中存在與模板字符串相同的序列，則說明匹配成功，否則沒有模板匹配字符串。上例中，當流入模板的數(shù)據(jù)包字符串為xyz0123456789時，則指示該匹配成功。

MAC3386傳輸數(shù)據(jù)包給FPGA與紙帶傳輸數(shù)據(jù)包類似，只不過在POS PHY3接口傳輸數(shù)據(jù)包時是每周期4字符/字節(jié)。FPGA進行模式字符串匹配時，在CAM-heap中每周期進行一次4個輸入字符串的匹配操作。采用并行操作的原理，使用4個CAM模塊一個周期進行4個字符/字節(jié)的匹配操作。

舉例說明4個CAM單元的操作關(guān)系：假設(shè)輸入數(shù)據(jù)包的某段內(nèi)容是ABCD EFGH IJKL，要匹配的模式字符串是CD EFGH IJ，先將要匹配的模式字符串按照一定規(guī)則寫入4個CAM單元中。數(shù)據(jù)包傳輸FPGA時第一個周期傳入的是ABCD，第二個周期傳入的是EFGH，第三個周期傳入的是IJKL，在第二個周期到來后，開始進行字符串的匹配操作。

第二個周期進行匹配時，CAM1輸入待匹配的字符串是ABCD(匹配失敗)；CAM2輸入待匹配的字符串是BCDE (匹配失敗)；CAM3輸入待匹配的字符串是CDEF(匹配成功)；CAM4輸入待匹配的字符串是DEFG(匹配成功)，所有的匹配地址都保存于寄存器中。

第三個周期進行匹配時，CAM1輸入待匹配的字符串是EFGH(匹配成功)；CAM2輸入待匹配的字符串是FGHI(匹配成功)；CAM3輸入待匹配的字符串是GHIJ(匹配成功)；CAM4輸入待匹配的字符串是HIJL(匹配失敗)。所有的匹配地址都保存于寄存器中。

因為我們匹配是8個字符的字符串，因此在第二個周期CAM3匹配成功后，到第三個周期CAM3的匹配成功，根據(jù)一定的邏輯關(guān)系和算匹配地址中匹配情況，就可以知道該字符串是否匹配成功。

我們把完成一個標準模式字符串匹配的4個CAM稱之為一個CAM-heap，一個CAM-heap完成一路字符串的匹配查找。如果一個完整的數(shù)據(jù)包都流經(jīng)模式字符串模板后，綜合每周期保存匹配地址的寄存器的結(jié)果，就可以知道流入的字符串是否和模式字符串匹配。在進行模式字符串的匹配之前，需要先將模式字符串進行4字節(jié)的分段，不同段的4個字節(jié)寫入不同的CAM單元和不同CAM單元的不同地址中。因為一個CAM-heap可以完成一路字符串的匹配查找，因此我們可以設(shè)計幾個CAM-heap并行操作來完成幾路模式字符串的匹配。匹配的模式字符串路數(shù)需要根據(jù)所選FPGA芯片RAM資源大小來決定。

FPGA的設(shè)計實現(xiàn)

模式字符串的FPGA輸入是通過IXP2400的慢端口來寫入的。在接收數(shù)據(jù)包之前，F(xiàn)PGA譯碼慢端口控制信號，通過IXP2400的慢端口接收模式字符串并寫入FPGA的ROM中。要匹配的模式字符串接收完畢后，設(shè)置CAM寫使能信號WE，將幾路模式字符串按照一定格式分別寫入不同的CAM單元中，然后進行下一步的字符串匹配操作。

接收的數(shù)據(jù)包按照數(shù)據(jù)流的先后順序?qū)懭隖PGA的FIFO中，先入先出。模式字符串匹配完成后，在FIFO出口端添加一個模式字符串的匹配標識頭，來描述該數(shù)據(jù)包與模式字符串的匹配情況(包括與哪一個數(shù)據(jù)包匹配還是幾個同時匹配，還是沒有匹配)，該匹配標識頭添加在數(shù)據(jù)包頭，作為數(shù)據(jù)包內(nèi)容的一部分發(fā)送給IXP2400。IXP2400在接收數(shù)據(jù)包時，對接收的數(shù)據(jù)包頭進行解碼，便可知道該數(shù)據(jù)包的模式字符串模式的匹配情況，以便進行下一步的動作。

從模式字符串匹配實現(xiàn)過程來看，數(shù)據(jù)包的流入過程和匹配過程是同時進行的，也就是模式字符串匹配過程的時間開銷隱藏在數(shù)據(jù)包的接收階段，接收完畢，模式字符串匹配結(jié)束。數(shù)據(jù)包只有在接收完畢后，才能決定發(fā)送什么樣的數(shù)據(jù)包字符串匹配標識頭，因此數(shù)據(jù)包在FPGA芯片中的延時為數(shù)據(jù)包的輸入延時，按照網(wǎng)絡(luò)傳輸最大數(shù)據(jù)包為1,514B計算，則數(shù)據(jù)包的最大延時為1514/4=379個周期，按照10ns一個周期計算延時為3.79um。

FPGA芯片的配置模式靈活，包括主串模式、從串模式、并行的SelectMap模式和邊界掃描JTAG模式。經(jīng)過配置后的FPGA芯片就可以正常工作了。但是基于SRAM的FPGA芯片掉電后，配置文件會自動丟失，因此需要為FPGA芯片配置一塊閃存PROM來保存FPGA的下載文件，這樣掉電后的FPGA以后也能正常工作。

本文小結(jié)

本文講述了一種使用FPGA的CAM資源快速實現(xiàn)模式字符串的匹配查找方法，使用在線速(OC-48)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，大大減少了后端軟件操作的處理負載。系統(tǒng)設(shè)計時，選用的FPGA型號為Virtex2的XC2V2000-5，使用了FPGA中大量的Block RAM存儲單元來構(gòu)造CAM，采用了并行的設(shè)計思想，OC-48處理了3路模式字符串的模式匹配。經(jīng)過工程實際測試，F(xiàn)PGA模塊很好地實現(xiàn)了3路模式字符串的模式匹配功能，達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求。