防火墙、UTM产品硬件平台架构分析

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防火墙、UTM产品硬件平台架构分析



现在市场上的防火墙、UTM产品从其架构上来说，大概分为三大类。

第一类是基于X86平台的，这种平台通常使用一颗或多颗主CPU来处理业务数据，网卡芯片和CPU通过PCI总线来传输数据。

由于传统的32位PCI总线频率为33MHZ，所以，理论通讯速率为：132 MB Bytes/S即：1056 MBits/S。单从PCI通讯的速率上来说是可以满足千兆防火墙的需要，但实际上PCI总线在X86系统中是共享的，也就是说，如果有两个网卡同时传输数据，那么每个网卡所能获得的速率就只有 66 MB Bytes/S，即：528 Mbits/S ，如果有四个网口同时传输数据，则每个网卡所能获得的速度只有16 MB Bytes/S，即128Mbit/S。

从总线速度来看基于32位PCI总线的X86平台，做为百兆防火墙的方案是没有任何问题的。但X86平台的防火墙方案，数据从网卡到CPU之间的传输机制是靠“中断”来实现的，中断机制导致在有大量数据包的需要处理的情况下(如：64 Bytes的小包，以下简称小包)，X86平台的防火墙吞吐速率不高，大概在30%左右，并且CPU占用会很高。这是所有基于X86平台的防火墙所共同存在的问题。

因此，基于32位PCI总线的X86平台是不能做为千兆防火墙使用的，因为32位PCI总线的通讯速率不能达到千兆防火墙的要求。针对这个问题，Intel提出了解决方案，可以把32位的PCI总线升级到了PCI-E ，即：PCI-Express，这样，PCI-E 4X的总线的速度就可以达到 2000MB Bytes/S，即：16Gbits/S，并且PCI-E各个PCI设备之间互相独立不共享总线带宽，每个基于PCI-E的网口可以使用的带宽为：2000MB Bytes/S，即：16Gbits/S，所以基于PCI-E 4X的X86从系统带宽上来说，做为千兆防火墙是没有任何问题的。但是，基于PCI-E的防火墙数据从网卡到CPU之间传输同样使用“中断”机制来传输数据，所以小包（64 Bytes）的通过率仍然为：30-40%。

第二类，基于ASIC架构的防火墙、UTM产品。

从上面对X86架构防火墙的分析中，我们了解到X86平台的防火墙其最大的缺点就是小包通速率低，只有30%－40%，造成这个问题的主要原因是因为X86平台的中断机制以及X86平台的防火墙所有数据都要经过主CPU处理。基于ASCI架构的防火墙从架构上改进了中断机制，数据从网卡收到以后，不经过主CPU处理，而是经过集成在系统中的一些芯片直接处理，由这些芯片来完成传统防火墙的功能，如：路由、NAT、防火墙规则匹配等。这样数据不经过主CPU处理，不使用中断机制，理所当然，ASIC是做为功能简单的防火墙的最佳选择。

但随之而来的问题是，ASIC架构的防火墙是芯片一级的，所有的防火墙动作由芯片来处理。这些芯片的功能比较单一，要升级维护的开发周期比较长。尤其是作为多功能集成的UTM网关来说，无法在芯片一级完成杀毒、垃圾邮件过滤、网络监控等比较复杂的功能，所以说，ASIC架构用来做功能简单的防火墙，是完全适用的，64 Bytes的小包都可以达到线速。但ASIC架构做为UTM就不是理想的选择，因为ASIC架构不可能把像网关杀毒、垃圾邮件过滤、网络监控等这些功能做到芯片一级去。

第三类，基于NP架构的防火墙。

NP架构实现的原理和ASIC类似，但升级、维护远远好于ASIC 架构。NP架构在的每一个网口上都有一个网络处理器，即：NPE，用来处理来自网口的数据。每个网络处理器上所运行的程序使用微码编程，其软件实现的难度比较大，开发周期比ASIC短，但比X86长。做为UTM，由于NP架构每个网口上的网络处理器性能不高，所以同样无法完成像网关杀毒、垃圾邮件、过滤、访问监控等复杂功能。

可能有人会问？ASIC 和 NP为什么不可以把网关杀毒、和垃圾邮件过滤、访问监控等这些功能放在主CPU上来实现？这样不就可以做为UTM方案使用了吗？这个问题问得很好，目前有很多基于NP和ASIC的UTM都是这样做的，但问题是ASIC和NP架构的防火墙，其主CPU性能很低，如：Intel基于IXP2400的千高端NP方案，主CPU只有1.0G，处理能力还比不上Celeron 1.0G，大家可以对照一下与其主频相当的X86平台的处理能力。所以如果以ASIC和NP架构来实现一个UTM网关，只能是做为低端的方案来使用，如桌面型的UTM，而并不能做为中、高端的UTM来使用。

言归正传，那什么才是UTM网关合适的硬件方案呢？如果要在上述三种方案中选择一种的话，非X86架构莫属，当然，随着技术的发展，还有可能出现第四种防火墙的解决方案，可以做为实现UTM网关的完美平台，但这是后话，值得我们期待。X86平台的主要缺陷在于64Bytes的小包不能达到线速。但在实际用户中，除非是DOS、DDOS攻击才会产生大量的的小包，用户正常的应用不可能产生大量的小包。如果在基于X86平台的UTM产品中，解决好DOS和DDOS攻击的问题，那么，X86平台就是UTM网关理所当然的解决方案。对于这个问题，已经有产品开发了防DOS、DDOS攻击的功能，不但可以防御来自外网的DOS攻击而且能够防御来自企业内部网络的DOS、DDOS攻击，这样我们的UTM产品就解决了这个问题，使网关的稳定性和可靠性大大加强，在UTM整体性能方面优越于NP、ASIC。在遇到大规模的DOS、DDOS攻击时，也不会占用太多的CPU资源。

既然选择了X86做为UTM网关的硬件平台，那么，还会存在一个问题：“如果UTM网关处理的业务比较多，是否会影响网络速度？”，比较简单的答复是这样的：在CPU占用低于90%的时候，是不会影响网络速度的。因为UTM网关虽然集成了众多的功能，并且要求主CPU来处理这所有的业务。但从业务的方面来看，是独立的，如：收发邮件的数据就不会被做为通过HTTP上网的数据来处理，通过HTTP上网的数据也不会被做为邮件的数据来处理，所以当一个数据包通过UTM时，是分业务分流程处理的，在CPU占用90%以下时，CPU完全可以实时的处理这些业务。但如果CPU占用超过了90%，那怎么办？X86的平台是不是不能解决了？答案是否定的，对于这个问题，X86的平台的方案有两种解决方法：

方法一：支持多颗CPU。部分高端设备都配备了2颗以上CPU，更高端的设备甚至配备4颗CPU，这样CPU的处理能力也就不会成为瓶颈。

方法二：使用加速卡。比如把邮件过滤做成一个加速卡安全在系统中，在主CPU发现某个数据包为邮件数据时，把该数据包交给加速卡来完成，不占用主CPU资源。

综上所述可以得出一个结论，X86架构是UTM网关理想的硬件平台，目前来看，没有其它平台可以代替。

注解：

NP：网络处理器（Network Processor）

ASIC：专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit）

百兆设备：指数据传输能力在 100Mbits/S 以上的网络传输设备，即：10Mbytes/S。

千兆设备：指数据传输能力在 1000Mbits/S以上的网络传输设备，即：100Mbytes/S

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