千兆高端防火墻的技術(shù)發(fā)展趨勢

    防火墻的未來是向著高性能，強(qiáng)大的QoS保證能力和深度防御三個方向發(fā)展。政府，金融電力等關(guān)鍵行業(yè)的數(shù)據(jù)中心、大型電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)流量巨大，業(yè)務(wù)復(fù)雜。多業(yè)務(wù)下的流量劇增不僅對帶寬提出了很高的要求，而且對防火墻多業(yè)務(wù)支持的功能和性能方面也提出了很高的要求。 

　　因此，典型的千兆高端防火墻的技術(shù)特征是具有4G到10G線速處理和能力；在承受海量業(yè)務(wù)流突發(fā)的情況下保證流媒體，視頻，語音等時延敏感應(yīng)用的穩(wěn)定運(yùn)行的能力。高端用戶往往采用高性能服務(wù)器對外提供特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如WWW或電子郵件服務(wù)。由于訪問者、時間、地點(diǎn)復(fù)雜，并且一些網(wǎng)站需要提供商業(yè)用途，所以對安全性的要求也很高，這就需要防火墻對數(shù)據(jù)包進(jìn)行深層次的檢查，進(jìn)行惡意代碼、SQL注入等多種攻擊行為的檢測，同時有效防范DDOS攻擊，保障諸如網(wǎng)上銀行等關(guān)鍵應(yīng)用的穩(wěn)定運(yùn)行，防范各類攻擊入侵。 

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。從設(shè)計簡單的接口電路到設(shè)計復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，甚至設(shè)計“System On Chip”（片上系統(tǒng)），FPGA所扮演的  
角色已經(jīng)不容忽視。因為FPGA硬件可重新配置且可用性、精密度不斷提高，可以輕易配合系統(tǒng)規(guī)格隨時改變的要求，為用戶帶來充足的靈活性。 

　　FPGA體系結(jié)構(gòu)能夠保證4- 10G路由和安全訪問控制的線速處理能力，包括各類多媒體業(yè)務(wù)、實時或非實時業(yè)務(wù)、連接或非連接業(yè)務(wù)等。同時，以FPGA作為處理和交換架構(gòu)的基礎(chǔ)，還可以通過FPGA良好的可編程性對數(shù)據(jù)包和協(xié)議進(jìn)行深層次的檢查和過濾，而且投資規(guī)模小，開發(fā)周期短，是一種非常理想的高性能防火墻硬件平臺架構(gòu)。 

　　與FPGA技術(shù)相比，ASIC技術(shù)將指令或計算邏輯固化到了硬件中，缺乏靈活性，不便于修改和升級；其次，深層次包分析（L4+）增加ASIC的復(fù)雜度，不能滿足防火墻產(chǎn)品對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行二到七層處理的需求；第三、ASIC的開發(fā)周期長，設(shè)計費(fèi)用昂貴且風(fēng)險較大。建立一個基本的ASIC研發(fā)環(huán)境就需要投資上千萬元，從設(shè)計，驗證，流片，到最終量產(chǎn)投資額往往要達(dá)到數(shù)千萬元。這樣無疑會造成投資回報期過長，大大增加了產(chǎn)品和項目的資金風(fēng)險。最后，采用ASIC技術(shù)的防火墻最大的問題在于缺乏可編程性，對新功能的實施周期長，很不靈活，使得它難以跟上當(dāng)今防火墻功能的快速發(fā)展。在日益猖獗的黑客攻擊面前，特別是針對在應(yīng)用層攻擊（如Slammer、沖擊波病毒）等面前顯得無能為力。 

　　采用FPGA技術(shù)可以節(jié)省ASIC設(shè)計所需要的設(shè)施和平臺的巨大投入。對于單臺防火墻設(shè)備，F(xiàn)PGA芯片的成本占總成本的比重很低，而且采用FPGA架構(gòu)可以通過配置和添加基本軟件來實現(xiàn)定制，從而不斷提升產(chǎn)品的性價比。 

　　FPGA的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在： 

　　1. 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。產(chǎn)品上市時間是推動網(wǎng)絡(luò)處理可編程解決方案發(fā)展的主要動力之一，F(xiàn)PGA不僅可以通過縮短開發(fā)周期，還能通過縮短調(diào)試周期以加快產(chǎn)品上市時間。 

　　2. 實現(xiàn)復(fù)雜分類查詢。像VPN（虛擬專用網(wǎng)）和IPSec這樣的業(yè)務(wù)需要復(fù)雜查詢功能。查詢和分類可通過復(fù)雜的迭代算法實現(xiàn)，F(xiàn)PGA能在邏輯電路的狀態(tài)機(jī)內(nèi)實現(xiàn)查詢。從而縮短了查詢的周期，提升了系統(tǒng)整體的性能。 

　　3. 提供良好升級性能。FPGA具有較強(qiáng)的軟件升級功能，利用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的HDL和C代碼，以及FPGA制造商提供的基于平臺和工具集方法的工具，可以很方便地實現(xiàn)軟件在各代FPGA中的無縫移植。在硬件升級方面，F(xiàn)PGA顧名思義就是現(xiàn)場可編程，因而能輕松升級，很好地滿足需求變化，延長了產(chǎn)品壽命，有助于網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備跟蹤標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的持續(xù)變化。同時FPGA往往有一定的預(yù)留性，比如一個常見的800萬門的FPGA芯片，一般實際使用僅為200萬門左右，預(yù)留的部分就是為了安全設(shè)備日后升級所用。 

　　4. 優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。安全設(shè)備的器件數(shù)目和期望性能之間存在一個平衡點(diǎn)，而將所有器件堆積在一個設(shè)備中將破壞整體性能。例如，如果能在主分組處理器件上實現(xiàn)安全處理功能，不僅能減少器件數(shù)目，還可從增加的性能中受益。FPGA的性能可以隨著規(guī)格效率方便的擴(kuò)展，某些需要查詢和密集控制的應(yīng)用可通過采用協(xié)處理器/嵌入式處理器來更好地實現(xiàn)。 

　　5. 提供高抗擾能力。FPGA的串行連接技術(shù)可以減少引腳數(shù)量、減小接頭尺寸、降低電磁干擾輻射（EMI）、提高信號完整性和更好地抵抗噪聲，從而大大提高升了系統(tǒng)的抗干擾能力，非常適用于對電磁輻射安全有特殊要求的應(yīng)用環(huán)境。 

　　交換結(jié)構(gòu)是基于FPGA防火墻產(chǎn)品的關(guān)鍵部分，是解決高速報文轉(zhuǎn)發(fā)及處理的主要方式，它的性能直接決定了防火墻性能。交換架構(gòu)采用共享內(nèi)存機(jī)制，具有很高的吞吐率，而且實現(xiàn)簡單，架構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以很容易地進(jìn)行視頻處理、VPN等功能擴(kuò)展。 

在防火墻產(chǎn)品的開發(fā)中，為了在類似的傳輸流中區(qū)分不同的優(yōu)先級，需要三層甚至四到七層中進(jìn)行更深層的分組處理。而FPGA僅僅需要一塊芯片就可以更深入地處理這些分組，不僅降低了軟件的復(fù)雜度，而且降低了功耗。這是因為FPGA中的硬件并行處理完全可以同RISC的處理方法相媲美。 

　　在深度防御方面，因為單個可疑特征不一定就是攻擊行為，因此防火墻必須抓到大量的可疑特征，以便判斷是否為攻擊。但在這個過程中抓取可疑特征的速度一定要快，否則就會導(dǎo)致漏報。利用FPGA的高速度幫助進(jìn)行基層篩選，然后通過高速總線交由具備多核處理能力的CPU確認(rèn)，就可以最大限度地確保防火墻架構(gòu)的優(yōu)化。對于防御DDoS攻擊，F(xiàn)PGA具備很強(qiáng)的性能優(yōu)勢。 

　　FPGA架構(gòu)的采用對于保證高端防火墻在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的性能非常關(guān)鍵。以虛擬防火墻為例，這一功能是高端防火墻產(chǎn)品的最重要特性之一。如果應(yīng)用中用戶將一臺物理防火墻劃分成256個虛擬防火墻（對于IDC的應(yīng)用環(huán)境可能會更多），以一臺虛擬防火墻配置50條規(guī)則計算，一臺防火墻配置的規(guī)則數(shù)會超過1萬，如果要用串行處理機(jī)制，對性能會形成很大的制  
約，而采用FPAG架構(gòu)的并行處理就可以輕易解決這一性能瓶頸。通過將安全規(guī)則轉(zhuǎn)化成邏輯，F(xiàn)PGA防火墻在實現(xiàn)過程中能夠同時匹配上萬條規(guī)則。 

　　從目前的情況來看，主流千兆防火墻產(chǎn)品還有很多采用的是ASIC技術(shù)，然而，全定制數(shù)字ASIC的前景已經(jīng)經(jīng)開始出現(xiàn)陰影。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)正在接管許多一度被認(rèn)為是全定制芯片專屬領(lǐng)域的應(yīng)用。自從FPGA在約二十年前出現(xiàn)以來，它已經(jīng)通過將門數(shù)提高了三個數(shù)量級而侵占了ASIC的主導(dǎo)地位。FPGA在網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域（如光網(wǎng)絡(luò)，光纖存儲等等）和網(wǎng)絡(luò)安全（防火墻，IPS，UTM）領(lǐng)域逐步得到了廣泛應(yīng)用，思科，JUNIPER，3COM等國際廠商己經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域獲得了眾多的專利授權(quán)并在產(chǎn)品中廣泛采用。作為國內(nèi)領(lǐng)先的安全廠商，東軟一直不懈努力，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新為用戶不斷提供更高性價比的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品。東軟在基于FPGA的防火墻技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了多年的前瞻性技術(shù)研究和儲備，并承擔(dān)此課題的國家級科研和產(chǎn)業(yè)化項目，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了豐碩的技術(shù)成果。隨著市場的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，具有更好可編程性和更高性能的FPGA技術(shù)必將是有實力網(wǎng)絡(luò)安全廠商的首選，而用戶也會有更加穩(wěn)定、成熟、高性能的千兆防火墻產(chǎn)品可以選擇。