前言
在目前的安全、數(shù)通及電信等諸多領域都可以看到基于多核處理器的設計，它們超強的處理能力使得以往繁復的系統(tǒng)得以減小體積，實現(xiàn)單板平臺。然而，在享受處理性能提升的同時，結(jié)構(gòu)設計人員卻不得不忍受多核高功耗的折磨，動輒幾十瓦甚至上百瓦的功耗成為多核進入更多領域的一個瓶頸。在目前綠色環(huán)保的政策下如何實現(xiàn)機房或設備的低功耗成為系統(tǒng)工程師必須考慮的一個重要設計因素。隨著多核集成CPU數(shù)量的不斷增加，單純靠芯片工藝和代碼優(yōu)化來降低功耗越來越難，此時必須要從電路系統(tǒng)設計的角度來全盤考慮問題。
多核處理器在數(shù)據(jù)處理過程中的密集運算使得芯片的動態(tài)功耗不斷增加，因此可將處理器的一部分負荷卸載到專用加速器中，以此來降低核心芯片的功耗。一方面它可以容許處理器工作在較低的頻率上，大幅降低系統(tǒng)的總功耗，另一方面還可以通過釋放處理器來提升整個系統(tǒng)的性能，或者增加高附加值的應用；最后還可以降低對處理器的要求，同時降低系統(tǒng)的BOM成本。
目前安全領域的DPI檢測就是一個計算密集型應用，它要求掃描整個數(shù)據(jù)包，計算開銷非常大?，F(xiàn)有網(wǎng)絡設備在實現(xiàn)此功能時大多采用軟件方案，在獨占一個CPU核的情況下也只能達到Mbps的處理能力。實驗表明，通過加入LSI公司的Tarari DPI專用芯片可以使系統(tǒng)功耗大幅降低，而處理能力可提升至Gbps。本文將以Tarari為例介紹DPI技術(shù)以及相關實現(xiàn)。
DPI技術(shù)及芯片介紹
DPI (Deep Packet Inspection)，即“深度報文檢測”。所謂“深度”是和普通的報文分析層次相比較而言的，“普通報文檢測”僅分析IP包的4層以下的內(nèi)容，包括源地址、目的地址、源端口、目的端口以及協(xié)議類型，而DPI 除了對前面的層次分析外，還增加了應用層分析，識別各種應用及其內(nèi)容，基本概念如圖1所示。
圖1 DPI的基本概念
普通報文檢測是通過端口號來識別應用類型的。如檢測到端口號為80時，則認為該應用代表著普通上網(wǎng)應用。而當前網(wǎng)絡上的一些非法應用會采用隱藏或假冒端口號的方式躲避檢測和監(jiān)管，造成仿冒合法報文的數(shù)據(jù)流侵蝕網(wǎng)絡。此時采用L2~L4層的傳統(tǒng)檢測方法已無能為力了。DPI 技術(shù)就是通過對應用流中的數(shù)據(jù)報文內(nèi)容進行探測，從而確定數(shù)據(jù)報文的真正應用。因為非法應用可以隱藏端口號，但目前較難隱藏應用層的協(xié)議特征。
Tarari系列芯片是實現(xiàn)上述功能的一款硬件加速器，它支持行業(yè)內(nèi)標準的正則表達式，規(guī)則數(shù)可以達到上百萬條，支持POSIX和PCRE。針對安全應用中所需的跨包檢測，Tarari可以對400多萬條數(shù)據(jù)的上下文進行處理。處理跨包的過程中Tarari會用內(nèi)部緩存來自動記錄跨包的上下文，包括正則表達式搜索樹的狀態(tài)、前一包的部分內(nèi)容以及所選的指令。該系列芯片從第四代產(chǎn)品(T9000)開始采用ASIC設計，第五代產(chǎn)品則開始采用T10架構(gòu)，產(chǎn)品目前包括T1000和T2000兩個系列型號。各芯片間軟件兼容，提供從250Mbps到10Gbps不同的速度等級，以滿足不同應用的需求。
以T2000系列芯片為例，它外圍存儲采用低成本的DDR2 SDRAM芯片，無需TCAM或者RLDRAM等昂貴存儲器。為了滿足某些高性能場合的需求，T2000也提供擴展接口，方便實現(xiàn)性能升級。在系統(tǒng)接口方面T2000提供PCI、PCI Express等高速接口，每個PCIe通道都具有Gbps的有效吞吐能力，最高可以達到16Gbps。T2000最高可支持10G的單片峰值性能，通過級聯(lián)兩片T2000芯片可以提供16Gb/s的吞吐量。T2000 軟件可同時監(jiān)測多達四塊16Gb/s PCIe電路板并提供負載均衡，從而為最苛刻的網(wǎng)絡環(huán)境提供64Gb/s 的性能。T2000系列芯片的體積只有29mm*29mm，典型功耗為5W。
基于多核處理器的DPI平臺設計
硬件平臺設計
無論是Intel和AMD的x86架構(gòu)，還是MIPs架構(gòu)，無論是CISC還是RISC，Tarari都可以很好的支持這些主流的處理器技術(shù)。
以某公司基于MIPs的多核芯片為例，圖2所示為Tarari芯片與MIPs多核的設計框圖。由于 Tarari芯片具有PCI、PCI-X以及PCIe接口，因此Tarari可以通過這些接口與滿足條件的多核處理器直接對接。對于很多高速應用，如果PCIe接口類型不匹配，也可以在PCIe與處理器間搭接PCIe與其它接口的轉(zhuǎn)換橋片。對于低速應用，Tarari可以實現(xiàn)無RAM操作，即無需外圍的DDR2芯片，通過內(nèi)部存儲器就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。
圖2所示電路的工作流程如下：當有數(shù)據(jù)包從GE接口進入MIPs多核處理器，處理器會通過PCIe接口或者HT橋片將其送入Tarari內(nèi)容處理器，此時Tarari會通過內(nèi)部的多個引擎對數(shù)據(jù)與規(guī)則集進行比對匹配，因為匹配規(guī)則在處理期間已經(jīng)調(diào)入Tarari芯片的內(nèi)部緩存，并且數(shù)據(jù)在處理過程中并不會進行任何形式的存儲，所以匹配過程延時很小。匹配結(jié)束后，*估結(jié)果同樣經(jīng)過PCIe或者HT總線送回處理器，上層軟件根據(jù)結(jié)果來決定對報文的處理。
圖2 基于MIPs多核的DPI平臺設計
規(guī)則集編寫及調(diào)用
Tarari支持豐富的正則表達式語言和各種常用結(jié)構(gòu)，可以在確定速度的情況下并行處理超過100萬條規(guī)則，它通過專利技術(shù)綜合了DFA和NFA的優(yōu)點，支持各種復雜的正則表達式。
如圖3所示，正則表達式內(nèi)容處理的第一步是編譯規(guī)則集，然后將其調(diào)入Tarari硬件系統(tǒng)。規(guī)則集可以一次全部編譯，也可以只編譯更新部分，即增量編譯。被編譯的規(guī)則文本文件在編寫時需要符合語法，編譯結(jié)果是一個可以被調(diào)入Tarari硬件系統(tǒng)的二進制文件。
圖3 規(guī)則集的編譯過程
全部編譯的好處是可以進行字符級的壓縮，對于許多應用來講，這意味著可以大幅減小編譯輸出的二進制文件大小，特別是對于諸如反垃圾郵件等基于文本的應用，全部編譯同增量編譯相比可以減小編譯結(jié)果。字符集壓縮必須要檢索起始狀態(tài)條件下的所有規(guī)則。因此，某一個規(guī)則的更新就會改變二進制指令在所有規(guī)則集上的生成方式。所以在這種模式下任一規(guī)則的更新都會要求所有的規(guī)則被重新編譯。
IDS/IPS類應用傾向于將8比特字符的256個可能數(shù)值都明確地用規(guī)則表示出來，因此字符集壓縮對此類應用來講作用較小，所以適合采用增量編譯。采用增量編譯的優(yōu)勢在于不會特別增加字節(jié)數(shù)。另外，為了進行包分類，這類應用通常使用很多的起始狀態(tài)條件，這也適合采用增量編譯。有起始狀態(tài)條件的規(guī)則集使用增量編譯因為不需進行字符集壓縮，所以可減小第一次的編譯時間；依賴于規(guī)則改變的數(shù)目和復雜度，第二次以及隨后的編譯時間也會大幅縮短；并且減小了存儲記錄的需求。
如果規(guī)則集沒有起始條件，那么最好還是使用全部編譯的方式，因為全部編譯具有字符集壓縮的優(yōu)勢。
DPI在UTM平臺上的應用
目前企業(yè)網(wǎng)都面臨著入侵防御、防*和防垃圾郵件等三個主要的安全問題，UTM的出現(xiàn)使得通過一臺設備來解決上述安全問題成為可能。但這同時也帶來了性能瓶頸，因為對不間斷的數(shù)據(jù)流進行處理，并根據(jù)不同的惡意威脅對包進行深度掃描的計算量非常龐大，即使是多核平臺也很難達到預定性能。在這種情況下，專用的加速引擎Tarari就可以幫助UTM設備在安全能力和處理性能間達到均衡。
Tarari可以從主處理器上卸載內(nèi)容處理任務，利用專用硬件來加速*估過程，最后再將*估結(jié)果送回主處理器上的安全應用程序。
對于入侵防御，UTM設備可以檢測輸入報文的所有內(nèi)容，并將內(nèi)容提交給Tarari的正則表達式處理引擎，由它來加速與攻擊模式的比較過程。匹配結(jié)果返回主處理器后，入侵防御應用程序會決定如何來處理攻擊包。
對于防*保護，數(shù)據(jù)流以文件形式通過UTM設備進入正則表達式引擎，引擎在線速情況下會將文件與*特征數(shù)據(jù)庫進行*估匹配，并對可疑內(nèi)容進行啟發(fā)分析。*估結(jié)束后，主處理器上的防*應用程序就可以對感染文件進行預定處理。
對于防垃圾郵件應用，輸入流作為Email通過UTM設備接入正則表達式引擎，引擎會將內(nèi)容圖案與垃圾郵件特征數(shù)據(jù)庫進行*估對比，識別出問題信息。主處理器上運行的反垃圾郵件應用程序讀出返回值后可以應用不同策略來處理這些信息。
當UTM平臺有了Tarari的加速，它可以真正實現(xiàn)對數(shù)據(jù)報文、信息和文件的深度檢測，以對網(wǎng)絡提供安全保護。
總結(jié)
通過軟件的方式也可以實現(xiàn)DPI檢測功能，但這種方式性價比較低，功耗較高。比如在3GHz的Xenon四核平臺上，每核只能實現(xiàn)60Mbit/s的吞吐量，而此時功耗為90W；采用最低端的T1000芯片可以實現(xiàn)250Mbit/s的吞吐量，而功耗不足2W。
Tarari與軟件方式相比還有一個明顯的優(yōu)勢，在于它基于硬件的跨包檢測能力，相對于用軟件來檢測跨包威脅，比如入侵、惡意攻擊等，Tarari的硬件處理速度遠遠超出了軟件的處理速度。
Tarari芯片內(nèi)部檢測引擎的理論處理速度超過目前芯片的I/O吞吐率，因此，這些額外的處理能力使得LSI公司有能力在不遠的將來推出更快更高效的產(chǎn)品。目前T1000系列芯片LSI采用了90nm工藝技術(shù)，隨著LSI向65nm工藝的推進，Tarari系列的功耗將會更低，處理性能將會得到更大的釋放。
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