【安全大講堂之UTM】多種硬件平臺解析
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或對軟件進行體系架構的優化。選擇合適的硬件平臺是比較直接、快捷的方式。安全產品的硬件承載平臺一般有X86、NP、ASIC、多核SOC等幾種。
1 x86架構
x86架構，也稱為CPU架構，采用通用的x86 CPU作為整個系統的轉發核心，具有很高的靈活性和可擴展性，一直是安全網關開發的主要平臺。其產品功能主要由軟件實現，還可以根據用戶的實際需要做相應調整，增加或減少功能模塊，產品比較靈活，功能十分豐富。例如，現在安全網關的趨勢就是向UTM方向發展，在一個產品中集成防火墻、入侵防御、防病毒及內容過濾等特性，x86架構的安全網關可以很方便地集成上述功能。
但該架構的性能發展受到CPU體系結構的制約，作為通用的計算平臺，x86的結構層次較多，不易優化，特別是在小包處理中，x86的進程調度、中斷處理等都會大幅降低整機吞吐量。同時，x86作為通用CPU，沒有為網絡轉發及安全計算進行優化，因此基于x86的硬件平臺仍很難達到千兆速率。
x86架構安全網關的特點：
·優點：靈活，功能豐富，開放性好，是百兆和千兆中低端防火墻的主要架構；
·缺點：性能提升困難，特別是小包處理時性能下降嚴重。
NP（Network Processor：網絡處理器）是專門為網絡設備處理網絡流量而設計的處理器，在其體系結構和指令集中對網絡設備常用的包過濾、轉發等算法和操作都進行了專門的優化，可以高效地完成TCP/IP協議棧的常用操作，并對網絡流量進行快速的并發處理。NP通過專門的指令集和配套的軟件開發系統，提供強大的面向網絡報文處理的編程能力，因而便于開發應用，支持可擴展的服務，而且研制周期相對較短，成本比開發ASIC低。
但是，相比于x86架構，由于應用開發、功能擴展受到NP的配套軟件的限制，故基于NP技術的防火墻的靈活性要差一些，而且還依賴軟件環境，所以在性能方面NP不如 ASIC。特別是在防火墻的關鍵性指標——“多策略復雜環境下的吞吐量”上，NP架構的劣勢更加明顯。NP芯片的基本結構如圖2-2所示，核心是xScale CPU，該CPU是一款低端ARM內核的CPU，其處理能力僅相當于Intel P3 CPU，而NP架構防火墻的查表（安全策略表）操作只能由該xScale CPU處理，因此在大流量、多安全策略環境下，NP架構防火墻的吞吐量會出現明顯下降。（注：在高端NP路由器中，由外置TCAM芯片實現查找路由表的操作，但該技術無法應用到NP網關中）
同時，NP芯片主要的設計方向是路由器類的網絡設備，幾乎沒有任何針對安全設備的加速功能，所以NP復雜且相對固話的報文處理流程決定了這類架構的安全網關幾乎不可能提供高級安全特性，如入侵防御、病毒過濾等，而只能作為純粹的防火墻使用。
NP架構安全網關特點：
·優點：靈活性優于ASIC，性能優于x86，開發流程要比ASIC短。
·缺點：性能低于ASIC，靈活性低于x86；多安全策略環境下性能下降；不能升級到UTM設備，無法提供高級安全特性。
ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）架構安全網關通過專門設計的ASIC芯片邏輯進行硬件加速處理，這種ASIC完全按照設計者的目的去設計硬件電路，優化相應的功能模塊，然后固化完成ASIC。ASIC架構的優勢是性能高，轉發性能與安全策略數量無關。
ASIC架構的主要缺點表現在以下兩個方面。
一是靈活性不夠，開發費用高，開發周期太長。由于ASIC架構的固定性與安全網關需要面對的復雜威脅相互矛盾，因此ASIC架構從開發周期上無法應對層出不窮的安全威脅，只適合于功能固化的防火墻、VPN類產品。
二是新建連接的速率不高，實際上這類架構產品的基礎模型是ASIC+x86 CPU，由x86 CPU負責系統管理、策略配置及連接建立，然后將相關的安全策略和連接信息同步到ASIC芯片中，由ASIC芯片實現基于狀態的策略控制和報文過濾；ASIC芯片與CPU的狀態信息需要不斷同步，因此ASIC架構的性能“短板”是新建連接的速率低。
總結ASIC架構安全網關的優缺點：
·優點：轉發性能比NP、X86高；
·缺點：功能固化，新建連接的速率低，無法支持高級安全特性。
多核（Multicore）架構是目前最新的高性能安全網關解決方案。所謂多核架構，是指以多核處理器為轉發核心的安全網關設備。多核處理器大多基于MIPS64體系，在一個多核處理器中同時支持2～16個獨立構架的CPU。同時，多核處理器在開發時即考慮到了用戶的應用要求，主流多核處理器均集成了硬件加密、正則匹配等硬件協處理器和網絡應用加速器，非常適合安全網關類產品如防火墻、VPN、防病毒、入侵防御等設備采用。多核架構的安全網關從技術角度來說是相當完美的：高吞吐量、會話建立速度高、硬件支持多種高級安全功能等。
多核架構現有的不足就是開發難度大。
總結多核架構安全網關的優缺點：
·優點：轉發性能比NP、X86、ASIC高，具備足夠的靈活性，支持高級安全功能；
·缺點：開發難度大。
5 多核是最適合UTM的架構
從前面的分析可以了解到每種硬件架構的特點，但對于UTM，哪種架構更加合適，這需要有統一的衡量標準。性能與功能的矛盾是硬件平臺重點解決的問題，因此暫時把開發難度、研發投入等因素拋開，而從功能滿足的靈活性、性能表現兩個方面來對各種架構進行比較。將靈活性作為縱坐標，性能作為橫坐標，x86、NP、ASIC、多核等架構的位置如圖2-2所示。
可以看出，x86架構的靈活性很高，可以實現全面的應用層安全功能，但性能低；NP架構靈活性比較高，性能中等，不是UTM最佳的架構平臺；ASIC性能高，但靈活性低，無法實現全面的應用層安全；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。
圖2-2 硬件架構的比較
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