基于NP的千兆電子商務應用系統安全防火墻設計

1 引言
??? 隨著骨干網絡帶寬的不斷加大，分布式千兆網絡已成為電子商務系統的主流方案，而由此帶來的電子商務系統安全問題也日益突出，研究和設計千兆電子商務系統防火墻，可有效保證電子商務系統的正常運行。

2 千兆防火墻硬件實現方案選擇
??? 防火墻分為軟件防火墻和硬件防火墻。軟件防火墻通過直接在專用或通用操作系統上運行防火墻軟件來實現安全控制存取訪問，成本低、靈活性好，但其性能卻依賴于運行平臺的特性，造成網絡速度的嚴重下降，不能滿足千兆防火墻的高性能要求，因此，千兆防火墻都是硬件防火墻。千兆防火墻的硬件實現一般有基于Intel X86架構、基于ASIC和基于網絡處理器NP 3種。其中，基于Intel X86架構的實現方案以其高靈活性和擴展性在百兆防火墻上獲得巨大成功，然而對于千兆網，X86架構的CPU由于考慮各種應用需要，具有一般化的通用體系結構和指令集，其處理速度相對較慢，難以滿足千兆網絡對于高線速的需求；基于ASIC的實現方案將指令或計算邏輯固化到硬件處理性能極高，但缺乏靈活性，不便于修改和升級；而基于NP的實現方案則采用微碼編程，專為網絡分組處理而開發，具有優化的體系結構和指令集，比X86 CPU具備更高的處理性能。而且NP有專門的指令集和配套的軟件開發系統，編程能力強，能夠方便開發各種應用，因而比ASIC更靈活。圖1為這3種硬件防火墻設計在性能與功能和靈活性方面的綜合特性比較。由圖1看出，基于NP的實現方案是千兆防火墻最佳的硬件實現方案。

3 網絡處理器NP簡介
??? 網絡處理器NP(Network Processor)是專為處理數據包而設計的可編程處理器，其內含多個數據處理引擎，在處理2～4層的分組數據上比通用處理器具有明顯優勢。網絡處理器的體系結構一般由網絡處理器單元、硬件協處理器單元和網絡接口單元3部分組成，如圖2所示。網絡處理器單元是由若干個微碼處理器組成，這些微碼處理器并行處理數據，極大提高網絡處理器的處理速度。如果需要增加新的功能或標準，只需通過配套的軟件開發系統給微碼處理器增加新的微碼。對于那些要求高速處理的復雜的通用功能模塊(如內存操作、路由表查找算法、Qos的擁塞控制算法、流量調度算法等)，則采用硬件協處理器實現，提高系統性能，從而實現業務的靈活性和高性能。

??? 總之，網絡處理器不但具有高性能和高可靠性的優點，還具有極大的靈活性和可擴展性。而且，網絡處理器提供的編程能力還縮短開發周期，延長使用壽命。

4 千兆電子商務系統防火墻設計方案
??? 基于NP的千兆電子商務系統防火墻由主控單元、網絡處理單元和電源3部分組成，如圖3所示。其中，主控單元采用通用處理器設計的管理與協處理板，網絡處理單元通過PCI總線與主控單元通信；網絡處理單元采用基于NP的專用網絡處理板；電源則專為主控單元和網絡處理單元提供電源支持。

4．1 主控單元
??? 主控單元采用通用CPU設計的主控板，用于配置管理網絡處理板和運行其他非實時性的安全模塊，包括CPU、存儲器、Flash、串行接口、網絡接口和PCI總線，如圖4所示。通過串行接口或網絡接口配置管理防火墻。Flash中存儲防火墻操作系統，主控單元上電后將防火墻操作系統裝載到存儲器中執行，并通過PCI總線與網絡處理單元通信。

主控單元的軟件包括控制管理和高級安全兩部分。控制管理軟件接收從Web界面和命令行對防火墻傳遞的配置信息，并轉換為網絡處理器識別的信息，發送到網絡處理單元的控制管理模塊，同時接收從網絡處理單元的控制管理模塊返回的信息。高級安全軟件主要是那些對實時性要求不高或在NP中實現極大影響性能功能。圖5為主控電源的軟件邏輯結構框圖。

4．2 網絡處理單元
??? 網絡處理單元采用NP設計專用網絡處理板，內嵌微碼運行實時性高的防火墻功能模塊。圖6為其硬件結構框圖，圖7為網絡處理流程。
4．3 千兆電子商務系統防火墻的特點
??? 由于防火墻的安全過濾與操作系統無關，并與防火墻配置管理、控制分離，所以網絡處理器的安全功能可隨時升級。該系統在提供高安全性和高性能的同時，符合電信級網絡設備高可靠、高穩定的要求，且相對成本較低。由于具有自主知識產權，因此該系統具有極強的功能和可擴展性。

5 千兆電子商務系統安全防火墻關鍵技術
??? 為了確保電子商務系統高安全、高性能、高可靠、高可控和高可擴等性能，需突破許多完全超越Intel X86架構防火墻的關鍵技術，包括線速安全過濾、可靠性設計、可擴展設計、精確流控等技術。
5．1 線速安全過濾技術
??? 為使安全防火墻在千兆環境下達到線速性能，需采用技術有：
??? (1)三級并行處理機制 包括處理器級并行、線程級并行和指令級并行。從硬件到軟件均采用并行處理機制，最大限度提高數據幀的處理速度。
??? (2)快速查表技術 防火墻最主要功能是狀態檢測和安全規則檢查。為節約處理器資源和內存資源，硬件采用專用硬件查表協處理器提高查找速度；軟件根據其特點采用不同的分類優化算法，來提高查表速度。
??? (3)全規則動態平衡存儲技術傳統防火墻的處理性能受限于設置的安全規則數目，隨著安全規則數的增加，其搜索增長速率呈線性遞增。設計全規則動態平衡存儲技術，實現專用處理器的非線性快速規則匹配算法，保證在極短時間內完成防火墻每一次發起規則查找。
5．2 可靠性設計技術
??? 在千兆環境下對防火墻的高可靠性提出更高要求，可在硬件和軟件兩個方面取得突破。
??? (1)硬件方面網絡處理器單元采用14層高速PCB設計和板級仿真，解決因高頻串擾帶來的千兆線速丟包問題，和獨立硬件控制下災難自恢復機制，保證系統可靠性。
??? (2)軟件方面 可將網絡安全處理功能運行在網絡處理器中，避免操作系統帶來的不穩定性和安全隱患問題。
5．3 可擴展設計技術
??? 作為網絡安全設備的防火墻，在系統的結構設計中，除突出高性能和高穩定性外，需特別注重系統的可擴展性。擴展設計包括硬件采用模塊化設計和軟件采用模塊分層，并逐層封裝，配置與控制層提供功能的擴展接口。
5．4 精確流控技術
??? 基于網絡處理器提供的能力，實現高效的數據流分類算法；在隊列調度方面，支持先進先出隊列、定制隊列、加權公平隊列和基于類的加權公平隊列調度算法；在擁塞控制方面，實現業界流行的WRED算法，準確的丟包算法保證當網絡發生擁塞時，避免由于誤丟包而帶來流量震蕩。

6 結束語
??? 基于NP的安全防火墻設計已成為分布式電子商務系統中最成熟的技術，是電子商務安全管理人員有效的防御工具。但任何一個安全產品或技術都不能提供永遠安全，因為網絡在變化，應用在變化，入侵手段也在變化。對于電子商務應用系統安全防火墻來說，技術的不斷進步才是真正的保障。研制新的網絡安全設計方案，將成為今后互聯網絡發展應用的一個重要課題。