摘要
因特網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò )等網(wǎng)絡(luò )應用的帶寬需求急劇上升，傳輸、檢查、拆分、組合、搜尋、內容比對、轉遞等IP封包運算處理動(dòng)作，以往可以靠軟件程序在一般X86微處理器上完成，搭配以網(wǎng)卡做封包出入口。

但是近年來(lái)這些封包的運算處理越來(lái)越復雜，將數據輸入處理單元，完成后再將結果送往輸出單元，慢速處理造成的時(shí)間延遲會(huì )嚴重影響到數據吞吐量，無(wú)法滿(mǎn)足Line Rate Operation的需求。Intel 公司提供的網(wǎng)絡(luò )處理器系列產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)用來(lái)解決這樣的問(wèn)題，IXP-4XX屬于較低端的系列，本文則集中探討IXP-2XXX系列高端網(wǎng)絡(luò )處理器，文中將以IXP-2400處理器在凌華科技cPCI-6240系列產(chǎn)品的設計為例做出說(shuō)明。
以下將先介紹IXP-2XXX處理器的功能特性，再探討處理器的平臺設計、應用開(kāi)發(fā)，最后探討它在網(wǎng)絡(luò )安全領(lǐng)域的應用，以入侵檢測系統為實(shí)例做出說(shuō)明。

Intel IXP-2XXX 網(wǎng)絡(luò )處理器
Intel XP-2XXX系列網(wǎng)絡(luò )處理器大致包含：IXP-2400、IXP-2800及IXP-2850，請參考表一的性能差異。除此之外，Intel還考慮比照了IXP-42X系列的做法，高度整合MACs等功能模塊，建造優(yōu)異的性?xún)r(jià)比產(chǎn)品，使這一系列處理器的應用更普及化。

表一、IXP-2XXX系列比較表

全系列IXP-2XXX網(wǎng)絡(luò )處理器都可拆分為『控制管道』(Control Plane)及『數據管道』(Data Plane)兩大部分。參考圖一 IXP-2400網(wǎng)絡(luò )處理器，它內建一顆600MHz 32-bit XScale來(lái)負責Control Plane的處理工作，XScale執行相當底層的控制工作，包括信息傳送，還有跟系統內其它處理器的溝通。Data Plane則由內建的八顆微處理引擎(Micro-Engine Version 2, MEv2)來(lái)做平行處理，MEv2是XScale精簡(jiǎn)下來(lái)的 (Reduced) 可程序處理器，使用者可用Micro-Code匯編語(yǔ)言或是高端Micro-C語(yǔ)言撰寫(xiě)應用程序，透過(guò)指令告訴這八顆MEv2怎樣處理封包運算，以達到應用目的。

圖一：IXP-2400的外部接口

圖一是IXP-2400示意圖外觀(guān)，它有兩個(gè)信道的QDR SRAM接口，存放重要的數據結構，比如：Route Tables， Free Buffer Pools，Flow State Tables，Queue Descriptors等等重要的訊息，其中一個(gè)信道還可以接一個(gè)協(xié)處理器，做TCP/IP封包比對時(shí)的內存搜尋引擎，加速決定封包的協(xié)議屬性跟流向(Flow)。DDR DRAM則用來(lái)儲存封包以及大量的State tables，另外C-bus接口可以連接第二個(gè)處理器，這是采用一進(jìn)一出架構的雙處理器設計時(shí)用的。

另兩個(gè)重要接口，一個(gè)是64-bit/66MHz PCI 2.2接口，作為Control Plane連通的Bus，可以透過(guò)此接口外掛控制處理器，像是PrPMC控制卡；另一個(gè)是Flash界面，是存取RedBoot韌體的通道，Redboot相當于X86系統的BIOS；媒體及切換接口(Media and Switch Fabric Interface, MSF)是網(wǎng)絡(luò )封包進(jìn)出處理器的主要途徑，視應用可以規劃為SPI-3、CSIX或是UTOPIA Level2接口。

圖二是IXP-2400內部示意圖，內部的SHaC 是一個(gè)多功能控制單元，內含Hash單元，可以建立48-,64-或是128-bit寬的 Hash indices，XScale與MEv2可存取Hash來(lái)幫助Table的搜尋，特別是要搜尋的Keys很大時(shí)；第二個(gè)單元是16KB的Scratch Pad memory，這是處理器內第三個(gè)內存資源，XScale與MEv2可共同存取，三種內存資源可以讓海量存儲器存取同時(shí)間平行發(fā)生；第三個(gè)單元是Control and Status Register (CSR)，提供9顆個(gè)處理器（1 * XScale + 8* MEv2）互相之間溝通用途。

除此之外，還有 XScale 外圍，包含中斷控制器、Timers, UART、GPIO等單元。在處理器內部，XScale、MEv2、DRAM Controller、SRAM Controller、T/R-Buffer之間透過(guò) Chassis Bus，將 Data Plane 的路徑在處理器內部連通起來(lái)，這些控制單元可以共享 SRAM、DRAM 等內存資源做數據交換。

圖二：IXP-2400功能單元及數據信道 (取材自Intel IXA架構及應用一書(shū))

網(wǎng)絡(luò )處理器的『平臺設計』、『應用開(kāi)發(fā)』

(一) 平臺規劃、開(kāi)發(fā)
平臺規劃 設計IXP-2XXX平臺首先要先為產(chǎn)品做準確的定位，定義平臺最終應用、頻寬需求、封包處理效能等級。若是想一半接到ATM網(wǎng)絡(luò )，則MSF接口有一半要規劃成Utopia Level 2接口，連接的ASIC像是Intel IXF-6012/6048 Cell/Packet Framer；若是要直接連IP網(wǎng)絡(luò )，則MSF接口規劃成SPI-3或是CSIX，連接像Intel IXF-1104 (Quad Giga-E MACs的ASIC)；或是接FIC(Fabric Interface Controller) 的ASIC。另外規劃時(shí)要全面考慮：Control Plane的處理效能、是否外掛輔助處理器、開(kāi)機影像文件下載速度；Data Plane則須考慮SRAM大小、DRAM資源使用、是否須加密功能 (IXP-2850有)、是否外掛網(wǎng)絡(luò )搜尋加速器、是否外掛內容檢查加速器等、要多少個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口。這些硬件規格要根據功能應用，做整體效能評估才行，在開(kāi)案初期要審慎評估。

平臺開(kāi)發(fā) 包括硬件、韌體(Redboot)、系統支持套件(Board Supporting Package, BSP)，BSP內含組件驅動(dòng)程序。其中硬件設計跟一般X86運算平臺沒(méi)什么兩樣，記得要預留軟件除錯端口，就像X86-CPU的 ITP Port一樣；Redboot韌體則相當于X86 BIOS，系統初始化、自我測試、Boot Loader都包在Redboot內；Redboot及BSP可以通過(guò)Intel IXA SDK得到幫忙，建立以XScale為處理核心的操作系統平臺，最后這三大要素即可建立一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )處理器平臺。

(二) 應用程序開(kāi)發(fā)
Intel 建立了IXA 軟件可攜式架構，讓今天花力氣辛辛苦苦在IXP-2400建立起來(lái)的軟件，明天在下一代IXP-2XXX仍然適用，而這個(gè)軟件架構可以簡(jiǎn)單用圖三表示。
應用程序的開(kāi)發(fā)也可以通過(guò)Intel IXA SDK得到幫忙，考慮到投資杠桿效應，Intel IXA軟件程序架構采模塊化，SDK提供一些基本的microblocks，開(kāi)發(fā)者再開(kāi)發(fā)自有的microblocks，將這些microblocks視為基礎組件(Building Blocks)，去組合實(shí)現實(shí)際的功能應用，讓開(kāi)發(fā)者的工作簡(jiǎn)單化，也縮短TTM時(shí)間。

圖三：Intel IXA 可攜式軟件架構 (取材自Intel IXA架構及應用一書(shū))

網(wǎng)絡(luò )安全的需求
據統計，2000年企業(yè)及政府部門(mén)遭受黑客(Hacker)攻擊的比率高達85%，而網(wǎng)絡(luò )安全的漏洞不是防止黑客入侵就解決了，其它像是遭窺探者竊取機密性數據，或是心懷不滿(mǎn)的員工蓄意破壞系統內重要檔案，警覺(jué)性不足的員工外泄重要密碼、不小心由Email引入計算機病毒等，都是威脅網(wǎng)絡(luò )安全的幾個(gè)危險因素。
為了讓區域內網(wǎng)絡(luò )維持安全運作，建立一套安全防護網(wǎng)才是根本解決之道，較完整的防衛機制大概有三層：

（一）虛擬私有網(wǎng)絡(luò )(VPN)
（二）防火墻(Firewall)
（三）入侵檢測系統(Intrusion Detection System; IDS)。

三種應用各有不同的系統規格需求，VPN 的系統需將信息全數打亂再丟到網(wǎng)絡(luò )上，透過(guò)加密機制在公開(kāi)的網(wǎng)絡(luò )里建立起加密通道(Encrypted Tunnel)，接收端再解密取得真實(shí)信息，在浩瀚的因特網(wǎng)內建立起安全私密的虛擬局域網(wǎng)絡(luò )；Firewall則像大樓管理員，檢查來(lái)訪(fǎng)封包的通行許可證，包含檢查封包的來(lái)源、目的地、連接塊等字段，但是防火墻并沒(méi)有辦法擋掉所有的入侵者，此時(shí)就須要另一道防線(xiàn)IDS；IDS 就像網(wǎng)絡(luò )上的監控攝影機，可以分析流經(jīng)的封包數據，偵測未經(jīng)授權的行為，IDS大致區分為「網(wǎng)絡(luò )系統」跟「主機系統」兩類(lèi)。基本上IDS需求的系統處理能力可以涵蓋VPN及Firewall的需求，因此接下來(lái)我們就以較復雜的IDS為例做IXP-2400的應用說(shuō)明。

入侵檢測系統的應用
圖四是采用IXP-2400為核心建立的IDS系統結構圖，凌華采用IXP-2400內建的XScale去控制管理Control Plane的組件，內建的八顆MicroEngine去收送處理封包的分類(lèi)及內容比對，處理Data Plane的運算。IXP-2400的QDR SRAM通道0也叫做LA-1(Look Aside Interface)接口，可以選擇接市面上現有的TCAM(Ternary Content Addressable Memory) 輔助處理器，幫忙做第三層以下封包數據搜尋比對的工作，幫IXP-2400處理器卸載(offload)一些運算負擔。

圖四 IXP-2400在網(wǎng)絡(luò )安全的應用－『入侵偵測系統』方塊圖

圖五 ADLINK cPCI-6240系列網(wǎng)絡(luò )安全平臺

網(wǎng)絡(luò )安全系統內最關(guān)鍵性的功能可以說(shuō)是封包表頭辨識(Classification)及內容檢查(Content Inspection)，表頭辨識系針對其流向、連結、輸入端口及目的地址等做比對；內容檢查則有復雜的算法，處理頻寬及內存容量需求極高，很顯然內容檢查即將是此系統非常嚴重的交通瓶頸所在，這個(gè)運算將耗用大量IXP-2400網(wǎng)絡(luò )處理器的運算資源。因此必須采用另一個(gè)處理器卸載此運算，有兩種方法可行，其一是如圖四：加入一顆個(gè)可程序內容檢查引擎(Programmable CIE, Content Inspection Engine)，比如IDT PAX.port 2500 CIE；或是在封包經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理器集結成較大封包后，進(jìn)入一張專(zhuān)屬內容檢查的高速運算服務(wù)器，比如ADLINK cPCI-6860 Dual-Xeon Server Blade。加CIE的做法可以卸載95% 的MicroEngine資源使用量，刪除掉85%的MicroCode，同時(shí)削減75%內存頻寬使用量，成本可大大節省，TTM(Time to Market)時(shí)間可以顯著(zhù)縮減。加一張專(zhuān)屬服務(wù)器則維持舊有軟件延續使用，節省軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間及人力成本，兩者各有優(yōu)點(diǎn)，但是CIE是純硬件運算所以效率較好，長(cháng)期來(lái)看應會(huì )成為較受歡迎的選擇。

結論
網(wǎng)絡(luò )處理器的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，它可以有效解決網(wǎng)絡(luò )交通擁塞的問(wèn)題，也可以處理復雜的封包運算。無(wú)論如何，Inetel IXA架構已經(jīng)正確的跨出第一步，接下來(lái)就須要更多的平臺設計者投入開(kāi)發(fā)工作，以及更多的應用開(kāi)發(fā)者投入資源，發(fā)展軟件程序，逐步建立完整的可攜式Microblocks。網(wǎng)絡(luò )興起、帶寬加速拓展，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )通訊的市場(chǎng)板塊不斷的在調整、挪動(dòng)，凌華科技與Intel合作，共同推廣IXP-2XXX網(wǎng)絡(luò )處理器的應用，希望能有拋磚引玉之效。