【安全大講堂之UTM】多種硬件平臺(tái)解析
解決UTM中性能與功能的矛盾，一般有兩種途徑：選擇合適的高性能硬件平臺(tái)或?qū)浖M(jìn)行體系架構(gòu)的優(yōu)化。選擇合適的硬件平臺(tái)是比較直接、快捷的方式。安全產(chǎn)品的硬件承載平臺(tái)一般有X86、NP、ASIC、多核SOC等幾種。
1 x86架構(gòu)
x86架構(gòu)，也稱為CPU架構(gòu)，采用通用的x86 CPU作為整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)核心，具有很高的靈活性和可擴(kuò)展性，一直是安全網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)的主要平臺(tái)。其產(chǎn)品功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要做相應(yīng)調(diào)整，增加或減少功能模塊，產(chǎn)品比較靈活，功能十分豐富。例如，現(xiàn)在安全網(wǎng)關(guān)的趨勢(shì)就是向UTM方向發(fā)展，在一個(gè)產(chǎn)品中集成防火墻、入侵防御、防病毒及內(nèi)容過(guò)濾等特性，x86架構(gòu)的安全網(wǎng)關(guān)可以很方便地集成上述功能。
但該架構(gòu)的性能發(fā)展受到CPU體系結(jié)構(gòu)的制約，作為通用的計(jì)算平臺(tái)，x86的結(jié)構(gòu)層次較多，不易優(yōu)化，特別是在小包處理中，x86的進(jìn)程調(diào)度、中斷處理等都會(huì)大幅降低整機(jī)吞吐量。同時(shí)，x86作為通用CPU，沒(méi)有為網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)及安全計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，因此基于x86的硬件平臺(tái)仍很難達(dá)到千兆速率。
x86架構(gòu)安全網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)：
·優(yōu)點(diǎn)：靈活，功能豐富，開(kāi)放性好，是百兆和千兆中低端防火墻的主要架構(gòu)；
·缺點(diǎn)：性能提升困難，特別是小包處理時(shí)性能下降嚴(yán)重。
NP（Network Processor：網(wǎng)絡(luò)處理器）是專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理網(wǎng)絡(luò)流量而設(shè)計(jì)的處理器，在其體系結(jié)構(gòu)和指令集中對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備常用的包過(guò)濾、轉(zhuǎn)發(fā)等算法和操作都進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，可以高效地完成TCP/IP協(xié)議棧的常用操作，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行快速的并發(fā)處理。NP通過(guò)專(zhuān)門(mén)的指令集和配套的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，提供強(qiáng)大的面向網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理的編程能力，因而便于開(kāi)發(fā)應(yīng)用，支持可擴(kuò)展的服務(wù)，而且研制周期相對(duì)較短，成本比開(kāi)發(fā)ASIC低。
但是，相比于x86架構(gòu)，由于應(yīng)用開(kāi)發(fā)、功能擴(kuò)展受到NP的配套軟件的限制，故基于NP技術(shù)的防火墻的靈活性要差一些，而且還依賴軟件環(huán)境，所以在性能方面NP不如 ASIC。特別是在防火墻的關(guān)鍵性指標(biāo)——“多策略復(fù)雜環(huán)境下的吞吐量”上，NP架構(gòu)的劣勢(shì)更加明顯。NP芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，核心是xScale CPU，該CPU是一款低端ARM內(nèi)核的CPU，其處理能力僅相當(dāng)于Intel P3 CPU，而NP架構(gòu)防火墻的查表（安全策略表）操作只能由該xScale CPU處理，因此在大流量、多安全策略環(huán)境下，NP架構(gòu)防火墻的吞吐量會(huì)出現(xiàn)明顯下降。（注：在高端NP路由器中，由外置TCAM芯片實(shí)現(xiàn)查找路由表的操作，但該技術(shù)無(wú)法應(yīng)用到NP網(wǎng)關(guān)中）
同時(shí)，NP芯片主要的設(shè)計(jì)方向是路由器類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，幾乎沒(méi)有任何針對(duì)安全設(shè)備的加速功能，所以NP復(fù)雜且相對(duì)固話的報(bào)文處理流程決定了這類(lèi)架構(gòu)的安全網(wǎng)關(guān)幾乎不可能提供高級(jí)安全特性，如入侵防御、病毒過(guò)濾等，而只能作為純粹的防火墻使用。
NP架構(gòu)安全網(wǎng)關(guān)特點(diǎn)：
·優(yōu)點(diǎn)：靈活性優(yōu)于ASIC，性能優(yōu)于x86，開(kāi)發(fā)流程要比ASIC短。
·缺點(diǎn)：性能低于ASIC，靈活性低于x86；多安全策略環(huán)境下性能下降；不能升級(jí)到UTM設(shè)備，無(wú)法提供高級(jí)安全特性。
ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）架構(gòu)安全網(wǎng)關(guān)通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ASIC芯片邏輯進(jìn)行硬件加速處理，這種ASIC完全按照設(shè)計(jì)者的目的去設(shè)計(jì)硬件電路，優(yōu)化相應(yīng)的功能模塊，然后固化完成ASIC。ASIC架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是性能高，轉(zhuǎn)發(fā)性能與安全策略數(shù)量無(wú)關(guān)。
ASIC架構(gòu)的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。
一是靈活性不夠，開(kāi)發(fā)費(fèi)用高，開(kāi)發(fā)周期太長(zhǎng)。由于ASIC架構(gòu)的固定性與安全網(wǎng)關(guān)需要面對(duì)的復(fù)雜威脅相互矛盾，因此ASIC架構(gòu)從開(kāi)發(fā)周期上無(wú)法應(yīng)對(duì)層出不窮的安全威脅，只適合于功能固化的防火墻、VPN類(lèi)產(chǎn)品。
二是新建連接的速率不高，實(shí)際上這類(lèi)架構(gòu)產(chǎn)品的基礎(chǔ)模型是ASIC+x86 CPU，由x86 CPU負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、策略配置及連接建立，然后將相關(guān)的安全策略和連接信息同步到ASIC芯片中，由ASIC芯片實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的策略控制和報(bào)文過(guò)濾；ASIC芯片與CPU的狀態(tài)信息需要不斷同步，因此ASIC架構(gòu)的性能“短板”是新建連接的速率低。
總結(jié)ASIC架構(gòu)安全網(wǎng)關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)：
·優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)發(fā)性能比NP、X86高；
·缺點(diǎn)：功能固化，新建連接的速率低，無(wú)法支持高級(jí)安全特性。
多核（Multicore）架構(gòu)是目前最新的高性能安全網(wǎng)關(guān)解決方案。所謂多核架構(gòu)，是指以多核處理器為轉(zhuǎn)發(fā)核心的安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備。多核處理器大多基于MIPS64體系，在一個(gè)多核處理器中同時(shí)支持2～16個(gè)獨(dú)立構(gòu)架的CPU。同時(shí)，多核處理器在開(kāi)發(fā)時(shí)即考慮到了用戶的應(yīng)用要求，主流多核處理器均集成了硬件加密、正則匹配等硬件協(xié)處理器和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用加速器，非常適合安全網(wǎng)關(guān)類(lèi)產(chǎn)品如防火墻、VPN、防病毒、入侵防御等設(shè)備采用。多核架構(gòu)的安全網(wǎng)關(guān)從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)是相當(dāng)完美的：高吞吐量、會(huì)話建立速度高、硬件支持多種高級(jí)安全功能等。
多核架構(gòu)現(xiàn)有的不足就是開(kāi)發(fā)難度大。
總結(jié)多核架構(gòu)安全網(wǎng)關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)：
·優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)發(fā)性能比NP、X86、ASIC高，具備足夠的靈活性，支持高級(jí)安全功能；
·缺點(diǎn)：開(kāi)發(fā)難度大。
5 多核是最適合UTM的架構(gòu)
從前面的分析可以了解到每種硬件架構(gòu)的特點(diǎn)，但對(duì)于UTM，哪種架構(gòu)更加合適，這需要有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)。性能與功能的矛盾是硬件平臺(tái)重點(diǎn)解決的問(wèn)題，因此暫時(shí)把開(kāi)發(fā)難度、研發(fā)投入等因素拋開(kāi)，而從功能滿足的靈活性、性能表現(xiàn)兩個(gè)方面來(lái)對(duì)各種架構(gòu)進(jìn)行比較。將靈活性作為縱坐標(biāo)，性能作為橫坐標(biāo)，x86、NP、ASIC、多核等架構(gòu)的位置如圖2-2所示。
可以看出，x86架構(gòu)的靈活性很高，可以實(shí)現(xiàn)全面的應(yīng)用層安全功能，但性能低；NP架構(gòu)靈活性比較高，性能中等，不是UTM最佳的架構(gòu)平臺(tái)；ASIC性能高，但靈活性低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的應(yīng)用層安全；多核靈活性高，性能也高，處于象限的右上角，最適合作為UTM的硬件平臺(tái)。
圖2-2 硬件架構(gòu)的比較
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