可編程能力在新一代安全設(shè)備中的重要性

通過基于軟件的防火墻部署網(wǎng)絡(luò)安全的傳統(tǒng)方法，由于無法滿足時延與帶寬需求而無法擴展。將賽靈思自適應(yīng)器件的靈活性及可配置性及其 IP 和工具產(chǎn)品相結(jié)合，能夠顯著提高安全處理性能。

概要

本白皮書探討了多種防火墻架構(gòu)，其中包括基于軟件與 NPU 的架構(gòu)，并且闡明了為什么新一代設(shè)計需要基于賽靈思自適應(yīng)器件的內(nèi)聯(lián)防火墻架構(gòu)。賽靈思 16nm FPGA 與 SoC以 及 7nm Versal?ACAP 能夠以硬化塊與軟 IP 的形式提供多種架構(gòu)組件，因此使其成為設(shè)計新一代安全設(shè)備的理想選擇。 這些 IP 包括高速 SerDes 和多速率接口 IP，例如硬化 MAC、PCIe ?接口與存儲器控制器。 此外，賽靈思器件還可以提供具備流分類軟搜索 IP 的業(yè)界一流存儲器架構(gòu)，使其成為網(wǎng)絡(luò)安全和防火墻應(yīng)用的最佳選擇。

介紹

本白皮書介紹了在企業(yè)與電信數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中用作新一代防火墻 (NGFW) 的安全設(shè)備的功能、部署與架構(gòu)。賽靈思器件的靈活性與可配置性與其 IP 與工具產(chǎn)品相結(jié)合，能夠顯著提高用于威脅檢測與預(yù)防的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的性能，同時可以實現(xiàn)性能擴展。此外，這些器件還可以助力實現(xiàn)即將面世的新一代安全技術(shù)，例如后量子加密 (PQC) 以及用于異常檢測的機器學(xué)習(xí) (ML) 技術(shù)。

由于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)正在向基于策略與意圖的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，因此流與策略可以定義有關(guān)流量的操作（路由、QoS、拋棄、標記等）。此外，輸入流量所需的安全策略會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中流的性質(zhì)不斷變化。大多數(shù)流量需要根據(jù)狀態(tài)以動態(tài)方式處理網(wǎng)絡(luò)流量。

基于端口的傳統(tǒng)防火墻可以提供基于邊界的保護，它可以根據(jù)數(shù)據(jù)包參數(shù)（如：IP 地址與 TCP/UDP 端口號）過濾流量，因為應(yīng)用感知僅在軟件中進行處理，其無法進行性能擴展。NGFW 應(yīng)當(dāng)不但能夠識別和處理特定類別的流量，而且還應(yīng)當(dāng)能夠識別與應(yīng)用內(nèi)容相關(guān)的威脅。企業(yè)使用的眾多應(yīng)用允許端口跳變，采用非標準端口或者隱藏 SSL 隧道中的威脅，因此傳統(tǒng)的基于靜態(tài)端口的防火墻無法檢測出威脅與惡意軟件。

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)防火墻

為確保企業(yè)辦公室之間的安全性，歷代網(wǎng)絡(luò)防火墻都部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，其聯(lián)網(wǎng)絡(luò)采用多種傳輸網(wǎng)技術(shù)，而且往往會采用同一個網(wǎng)絡(luò)流水線作為公共網(wǎng)。隨著基于策略的網(wǎng)絡(luò)的演進發(fā)展以及軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 與基于意圖的網(wǎng)絡(luò) (IBN) 的涌現(xiàn)，具有不同吞吐量與功能的防火墻在逐步部署到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的眾多不同位置。參見圖 1。

圖1 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的新一代防火墻

如圖 1所示，防火墻的作用已經(jīng)從企業(yè)網(wǎng)邊界擴展到企業(yè)中的多個位置，如：連接企業(yè)總部與分支機構(gòu)，保護連接邊緣，或保護企業(yè)數(shù)據(jù)中心的流量不受企業(yè)訪問的影響。NGFW 能夠根據(jù)多種數(shù)據(jù)包參數(shù)（端口、 IP 地址、有效載荷內(nèi)容）或者根據(jù) L3-VPN 或 SSL/TLS 等加密技術(shù)檢測和阻止網(wǎng)段之間的威脅與惡意軟件。

防火墻部署與功能

安全設(shè)備負責(zé)檢查和分析來自企業(yè)網(wǎng)絡(luò)外部的所有流量。防火墻能夠部署到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的多個位置，如：企業(yè)不同部門之間的流量，或者通過由交換機和路由器組成的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點從企業(yè)訪問進入企業(yè)數(shù)據(jù)中心的流量。

安全設(shè)備 (NGFW) 可以內(nèi)聯(lián)部署，也能夠以旁路模式部署。這兩種模式的主要區(qū)別是內(nèi)聯(lián)模式直接連接到外部網(wǎng)絡(luò)端口，而旁路設(shè)備可以連接到交換機或路由器的分流器或鏡像端口。圖 2 顯示了網(wǎng)絡(luò)中的防火墻連接。雖然防火墻的功能大同小異，但是內(nèi)聯(lián)防火墻比旁路防火墻設(shè)備更復(fù)雜，同時性能也更強大。

部署到具體位置的防火墻的規(guī)模與功能在策略規(guī)則分配方面有所不同，但是某些基本功能（如：流量分類、緩沖等）保持不變。

圖2 企業(yè)的絡(luò)中的 NGFW

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或安全設(shè)備可以負責(zé)實現(xiàn)以下安全功能：

1.L2 安全 - 用于鏈路加密的 MACSec

2.L3 安全 - 來自用戶與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的 VPN 隧道

3.無效流量的阻斷與過濾（基于協(xié)議與端口的過濾）

4.傳入與傳流量的 TLS/SSL 加密/解密

5.跨多個流量的異常檢測

6.狀態(tài)模式匹配

7.統(tǒng)計異常檢測

8.IP 分片

9.TCP 重組與排序

10.基于正則表達式 (regex) 的簽名/內(nèi)容匹配

除了上述功能之外，新一代網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品也已經(jīng)開始實現(xiàn)用于網(wǎng)絡(luò)分析與惡意軟件預(yù)測的 ML 模型。此類模型不依賴基于簽名的傳統(tǒng)檢測功能。支持ML的防火墻可以收集遙測數(shù)據(jù)，而且可以在威脅出現(xiàn)之前提前部署安全策略。

上述功能的其中一部分是基本功能，是所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（安全交換機與路由器）的組成部分，而且是在采用 ASIC 或可編程器件創(chuàng)建的已部署網(wǎng)絡(luò)交換機和路由器中實現(xiàn)；其他功能（L3 及更高級功能）更加復(fù)雜，需要大量流量分類與處理操作。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層越高，流量處理的復(fù)雜性就越高。例如，層1(L1) 安全只需要幀級加密（如：OTN 傳輸有效載荷幀），而且是采用批量加密協(xié)議 (AES-GCM) 在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中實現(xiàn)。層 2(L2) 與層 3(L3) 需要在以太網(wǎng)與 IP 層面進行數(shù)據(jù)包處理，其需要數(shù)據(jù)包級別的處理。層 4(L4) 與更高級別需要進行內(nèi)容級安全處理，其中每個 TCP 或 UDP 會話都包括多個以太網(wǎng)與 IP 數(shù)據(jù)包。一些L2 與 L3 安全功能可以在硬件器件（ASIC、ASSP、FPGA、SoC、ACAP 與 NPU）中輕松實現(xiàn)。此外，更高層的安全處理（L3 及以上）也需要對傳入流量進行基于軟件的內(nèi)容處理，才能實現(xiàn)威脅檢測與清除。

由于新的接入網(wǎng)技術(shù)（5G 前傳、PON 與電纜）在過去幾年已經(jīng)大幅提高了吞吐量與流量，因此僅僅基于軟件流量處理的防火墻設(shè)備不足以滿足預(yù)期吞吐量下的性能與時延要求。

新一代防火墻的硬件架構(gòu)

由于防火墻需要處理和檢查所有的傳入流量，因此它們需要執(zhí)行以下操作：

●   L2/L3 數(shù)據(jù)包處理

●   L2/L3 安全功能

o   LinkSec/MACSec

o   L3-VPN/IPSec

●   L4–L7 數(shù)據(jù)包處理與安全

圖 3 顯示為防火墻設(shè)計選項。

圖3 防火墻的演進發(fā)展：旁路與內(nèi)聯(lián)處理對比

低端防火墻設(shè)備（通常低于 10G）的設(shè)計可以采用網(wǎng)絡(luò)接口器件與 CPU。常見的網(wǎng)絡(luò)接口 (NIC) 器件（定制 ASIC、FPGA 或 ASSP）可以處理處理理傳入流量（以太網(wǎng)與 IP 數(shù)據(jù)包），并且能夠執(zhí)行眾所周知的 L2 與 L3 功能，而更高層 (L4–L7)功能是由在 CPU 中運行的軟件執(zhí)行。

中端防火墻能夠處理更高的吞吐量 (10G–50G)，其設(shè)計主要采用網(wǎng)絡(luò)接口器件與旁路安全處理器（安全 ASIC、NPU 或 FPGA）。由于只使用軟件的解決方案不能以更高的吞吐量對流量進行分類和處理，因此旁路安全處理器可以用作 CPU 協(xié)處理器，以便卸載加密/解密、公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）和/或狀態(tài)流量處理功能。雖然在這種架構(gòu)中可以將 ASIC 或 NPU 用作網(wǎng)絡(luò)接口，但是在中端防火墻中采用 FPGA 日漸流行，因為它在內(nèi)聯(lián)模式下可以實現(xiàn)處理傳入流量所需的可擴展性和靈活性，從而可以降低威脅檢測與預(yù)防方面的時延。

吞吐量達到 50G-400G 的新一代高端防火墻主要設(shè)計用于內(nèi)聯(lián)操作模式。在內(nèi)聯(lián)模式下，網(wǎng)絡(luò)接口器件需要更加智能，才能處理龐大流量，這涉及到對傳入和傳出數(shù)據(jù)包的更深入的檢查。此類接口器件也需要實現(xiàn)安全功能，如內(nèi)聯(lián) IPSec，其采用常用的加密協(xié)議與 TCP 級安全。這種架構(gòu)仍然采用 NPU 來實現(xiàn)具體的加密協(xié)議、PKI 和狀態(tài)處理。內(nèi)聯(lián)設(shè)備的流量分類需求在流量數(shù)量與復(fù)雜性以及針對高吞吐量流量采取的措施方面各不相同。因此，用于內(nèi)聯(lián)安全處理的可編程器件（如FPGA）是實現(xiàn)此類功能的理想選擇。與 NPU 相比，F(xiàn)PGA 在流量處理方面提供了顯著的時延降低和優(yōu)異的可擴展性。此外，F(xiàn)PGA 目前還可以配置新一代存儲器接口和片上高帶寬存儲器 (HBM)，這對于存儲器密集型流量處理應(yīng)用非常有用。

將 FPGA 用作網(wǎng)絡(luò)安全的流量處理器

進出安全設(shè)備（防火墻）的流量進行多級別加密。L2 加密/解密 (MACSec) 是在鏈路層 (L2) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（交換機與路由器）進行處理。超出 L2（MAC 層）的處理通常包括更深層的解析、L3 隧道解密 (IPSec) 以及加密 SSL 流量與 TCP/UDP 流量的處理。數(shù)據(jù)包處理涉及傳入數(shù)據(jù)包的解析與分類以及高吞吐量 (25–400Gb/s) 的龐大流量 (1–20M) 的處理。由于需要大量計算資源（核心），NPU 可以用于相對更高速率的數(shù)據(jù)包處理，但是無法實現(xiàn)低時延、高性能可擴展流量處理，因為流量處理采用 MIPS/RISC 核心，而根據(jù)其可用性來調(diào)度此類核心難度很大。采用基于FPGA的安全設(shè)備可以有效消除基于 CPU 和 NPU 的架構(gòu)所帶來的上述限制。

安全設(shè)備的流量處理

流量處理是數(shù)據(jù)包處理的更高級別的抽象，因為一個數(shù)據(jù)流是由類型相似的眾多數(shù)據(jù)包組成。流量處理包括以下主要組成部分：

●   數(shù)據(jù)包解析

●   數(shù)據(jù)包查找

o   路由查找

o   根據(jù)數(shù)據(jù)包字段采用通配符搜索的流量查找

●   數(shù)據(jù)包編輯

o   校驗和計算

o   包頭封裝/解封

o   安全包頭封裝

賽靈思提供了采用高級抽象語言 P4 進行數(shù)據(jù)包處理的工具，其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包解析、分類、查找與數(shù)據(jù)包編輯功能。與基于 RTL 語言的實現(xiàn)相比，使用 P4 完成數(shù)據(jù)包處理可以在更高的抽象層實現(xiàn)。采用P4可以提高現(xiàn)有可編程FPGA架構(gòu)的靈活性，因為它可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)包編輯以及流量表條目的修改。

如圖 4 所示，P4 介紹可以采用 P4 編譯器編譯的并且映射在賽靈思 FPGA 中的數(shù)據(jù)包處理流水線架構(gòu)，其中采用了基本架構(gòu)組件。P4 語言定義數(shù)據(jù)包解析、查找（IPv4、IPv6 和其他數(shù)據(jù)包字段）以及數(shù)據(jù)包的編輯（逆解析）。P4定義的架構(gòu)可以直接應(yīng)用于安全處理流水線，如：IPSec安全關(guān)聯(lián) (SA)、安全策略 (SP) 查找以及進/出流量的隧道處理實現(xiàn)。

圖4 基于 P4 的數(shù)據(jù)包處理流量分類與查找

數(shù)據(jù)包處理的三個主要組成部分包括：

數(shù)據(jù)包解析：來自多個應(yīng)用，訪問企業(yè)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點所產(chǎn)生的流量需要針對具體流量類型分類。解析過程涉及眾多數(shù)據(jù)包參數(shù)的提取，其中包括 L2 包頭、L3 包頭以及來自數(shù)據(jù)包已知偏移量的字段。這些解析需求隨應(yīng)用不同以及數(shù)據(jù)包不同位置的簽名不同而變化。FPGA 的靈活架構(gòu)加上 P4 定義的解析器能夠滿足這些不斷變化的分類需求。

數(shù)據(jù)包查找：完成解析之后，需要根據(jù)流量的類型對數(shù)據(jù)包進行分類。加密的數(shù)據(jù)包根據(jù)協(xié)議與安全包頭字段進行解密處理。匹配操作模塊對數(shù)據(jù)包解析器模塊生成的搜索密鑰進行查找，以實現(xiàn)目的地/操作分配。對于加密流量，秘鑰搜索包括安全關(guān)聯(lián)與安全策略的確定，它可以決定應(yīng)用于加密數(shù)據(jù)包的解密密鑰信息和策略。L2 加密數(shù)據(jù)包 (MACSec) 需要更簡單直接的查找，而更高層的加密查找可能更加復(fù)雜，具有更寬泛的密鑰與結(jié)果值。圖5 介紹了 MACSec、IPSec 和 TCP 協(xié)議的查找示例。查找次數(shù)隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點變化，不過某些情況下一些流量類別需要多層查找。

圖5 L2/L3/L4 安全實現(xiàn)方案查找示例

上述查找特定于安全處理。此外，防火墻也可以針對路由器功能、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 (NAT) 以及傳入流量的策略（或訪問控制）查找實現(xiàn)附加查找。

以下安全與網(wǎng)絡(luò)查找類別包括精確匹配、最長前綴匹配 (LPM) 和通配符搜索，其采用由包頭字段組成的密鑰：

●   路由查找

●   NAT 查找

●   采用多個字段的流量分類

如圖 6 所示，數(shù)據(jù)包處理查找可分為三類，有各自的表和密鑰大小要求。

圖6 采用基于 FPGA 的安全設(shè)備進行查找

賽靈思的 IP 產(chǎn)品組合包括用于二進制匹配、通配符三元匹配和最長前綴匹配的搜索 IP。這些搜索 IP 可以靈活組合，以適應(yīng)所有采用片上 SRAM 與 DRAM (HBM) 的賽靈思 FPGA。這三類搜索 IP 全部支持 100Mb/s 至 400Gb/s 吞吐量。

秘鑰寬度、結(jié)果寬度和表內(nèi)的條目數(shù)量可以決定 FPGA 所用片上邏輯資源和存儲器 (SRAM/DRAM) 的數(shù)量。由于賽靈思擁有具有不同資源（邏輯/存儲器）數(shù)量的廣泛器件類別，因此用戶能夠針對其吞吐量與表大小要求選擇具有適當(dāng)資源的賽靈思器件。此外，查找 IP 配備用于修改和更新流量表條目的應(yīng)用層軟件 API。