文/關(guān)天明

交換機(jī)FFP技術(shù)探究

文/關(guān)天明

交換機(jī)FFP（Fast Filter Processor）技術(shù)提供了先進(jìn)的多層交換、報(bào)文分類及線速處理功能，能夠基于協(xié)議或字節(jié)對(duì)報(bào)文進(jìn)行線速解析、分類，報(bào)文解析深度達(dá)80或128字節(jié)，廣泛用于各類基于流的報(bào)文分類、過(guò)濾及鏡像等應(yīng)用，如：QOS（Quality of Service）、ACL（Access Control Lists）、DSCP（Differentiated Services Codepoint）等。

原理介紹

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)FP硬件引擎都是由圖1所表示部件組成：

其主要作用是在數(shù)據(jù)流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)進(jìn)行分類過(guò)濾，并對(duì)從指定接口輸入或者輸出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢查，根據(jù)匹配條件(Conditions)允許其通過(guò)(Permit)、丟棄(Deny)或者采取其他動(dòng)作策略，由此來(lái)達(dá)到限制網(wǎng)絡(luò)中某些通信數(shù)據(jù)類型、限制網(wǎng)絡(luò)的使用者或使用設(shè)備的目的。我們通過(guò)FFP的這種特性實(shí)現(xiàn)各種ACL技術(shù)，從而滿足各種不同應(yīng)用的需要。

下面，分別對(duì)各個(gè)部件的作用及工作原理進(jìn)行介紹：

字段解析器

用于從各種來(lái)源的數(shù)據(jù)流中獲取各種指定字段，即匹配域，例如：報(bào)文的源MAC地址、目的MAC地址、源IP等字段，在進(jìn)行報(bào)文解析之前，需要預(yù)先設(shè)置字段，用以對(duì)報(bào)文進(jìn)行識(shí)別、分類，之后開(kāi)始對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，將解析出來(lái)的匹配域字段封裝成KEY送到查找匹配引擎中。

其中，各種來(lái)源的數(shù)據(jù)流包括報(bào)文流、各種硬件檢測(cè)信息（如：報(bào)文的類型、輸入的物理端口、是否在地址表中HIT等信息）。

查找匹配引擎

查找匹配引擎由一定數(shù)量的TCAM表項(xiàng)組成，我們將TCAM表項(xiàng)稱為匹配規(guī)則，在進(jìn)行匹配之前，需要預(yù)先申明匹配條件，設(shè)置好匹配規(guī)則中的內(nèi)容，匹配規(guī)則針對(duì)數(shù)據(jù)流的源地址、目標(biāo)地址、上層協(xié)議等字段。匹配規(guī)則一般有兩部分組成：匹配內(nèi)容和掩碼，匹配過(guò)程就是將輸入的KEY和掩碼進(jìn)行相與，再將相與的結(jié)果和匹配內(nèi)容進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相同，則匹配成功，例如：配置一個(gè)ACE，如下：

permit 192.168.1.0 0.0.0.255，

則這條表項(xiàng)的匹配內(nèi)容為192.168.1.0，掩碼為255.255.255.0。這時(shí)候，將輸入報(bào)文的源IP（通過(guò)字段解析器解析）與掩碼進(jìn)行相與，如果結(jié)果等于192.168.1.0，則報(bào)文可以通過(guò)，即192.168.1.0/24網(wǎng)段的報(bào)文可以通過(guò)。

設(shè)置好匹配規(guī)則之后，將接收到的KEY與匹配規(guī)則一一進(jìn)行比較，檢查報(bào)文是否與某一條匹配規(guī)則相匹配，返回該匹配規(guī)則（HIT表項(xiàng)）所在的偏移。

動(dòng)作策略引擎

動(dòng)作策略引擎由一定數(shù)量的策略表項(xiàng)組成，策略表項(xiàng)和匹配規(guī)則一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)查找匹配引擎中的某條匹配規(guī)則匹配上后，返回該匹配規(guī)則的偏移，根據(jù)這個(gè)偏移值，就可以找到匹配規(guī)則對(duì)應(yīng)的策略表項(xiàng)，執(zhí)行策略表項(xiàng)中預(yù)先設(shè)置好的動(dòng)作。同樣的，我們需要先申明滿足某個(gè)規(guī)則匹配后的對(duì)應(yīng)行為。

動(dòng)作策略引擎支持的動(dòng)作包括：轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄、重定向、鏡像、送CPU、改變報(bào)文優(yōu)先級(jí)等等，不同產(chǎn)品支持的動(dòng)作存在較大差異。

度量、統(tǒng)計(jì)引擎

動(dòng)作策略表項(xiàng)被HIT上后，會(huì)觸發(fā)度量、統(tǒng)計(jì)引擎工作，動(dòng)作策略表項(xiàng)中指定要使用的meter表項(xiàng)、counter表項(xiàng)的索引，meter表項(xiàng)、counter表項(xiàng)的各種屬性也是在報(bào)文解析過(guò)濾前預(yù)先設(shè)置完成。

一般情況下，將查找匹配引擎、動(dòng)作策略引擎、度量統(tǒng)計(jì)引擎合在一起稱為一個(gè)slice，有些產(chǎn)品支持多個(gè)slice，有些產(chǎn)品則全局共享一個(gè)slice。

一般情況下，查找匹配引擎、動(dòng)作策略引擎和度量統(tǒng)計(jì)引擎中的表項(xiàng)是一一對(duì)應(yīng)，將一條匹配規(guī)則、策略表項(xiàng)及其對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)度量表項(xiàng)合在一起稱為一條表項(xiàng)。

動(dòng)作仲裁引擎

動(dòng)作仲裁引擎收集所有匹配表項(xiàng)產(chǎn)生的動(dòng)作策略信息，包括動(dòng)作策略及meter結(jié)果，對(duì)于不沖突的動(dòng)作全部被執(zhí)行，對(duì)于沖突動(dòng)作，則依照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行仲裁，高優(yōu)先級(jí)動(dòng)作被執(zhí)行。

應(yīng)用介紹

目前，各種交換產(chǎn)品中，有多個(gè)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)依賴于FFP引擎特性，不同產(chǎn)品上，由于FFP引擎原理不同，導(dǎo)致各應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中對(duì)表項(xiàng)占用情況、引擎分布情況存在較大差異。

各產(chǎn)品支持的應(yīng)用

各種交換機(jī)產(chǎn)品支持的依賴于FFP引擎的應(yīng)用：遠(yuǎn)程鏡像、CPU保護(hù)模塊、防攻擊模塊(nfpp)、安全通道、防網(wǎng)關(guān)ARP欺騙、arp check、IP防掃描、全局IP + MAC 綁定、Dhcp_option82、Dot1x中的QOS應(yīng)用、Dot1x中下發(fā)ACL應(yīng)用、Dot1x認(rèn)證用戶綁定應(yīng)用、dhcp snooping綁定應(yīng)用、GSN全局安全應(yīng)用、QOS應(yīng)用模塊、VLAN ACL應(yīng)用、出口方向安全ACL應(yīng)用、入口方向安全ACL應(yīng)用、修改外部tag應(yīng)用、QINQ、策略路由、IPV6_ROUTE、網(wǎng)絡(luò)域名轉(zhuǎn)換應(yīng)用、數(shù)據(jù)流鏡像應(yīng)用、重定向應(yīng)用等。

表項(xiàng)及模板分配過(guò)程

除了目前廣泛使用的安全ACL外，F(xiàn)FP相關(guān)的其他各種應(yīng)用也都是依賴于ACL技術(shù)實(shí)現(xiàn)，ACL全稱為訪問(wèn)控制列表(Access Control List)，也稱為訪問(wèn)列表（Access List），俗稱為防火墻，ACL通過(guò)定義一些規(guī)則對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口上的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行控制，ACL 由一系列的表項(xiàng)組成，稱之為訪問(wèn)控制列表表項(xiàng)(Access Control Entry：ACE)，每個(gè)接入控制列表表項(xiàng)都申明了滿足該表項(xiàng)的匹配條件及行為（動(dòng)作策略）。

有些應(yīng)用可以顯式關(guān)聯(lián)各種類型的ACL（IP標(biāo)準(zhǔn)ACL、IP擴(kuò)展ACL、專家擴(kuò)展ACL等），如：安全ACL、安全通道、QOS等，這時(shí)候可以修改各ACL中的ACE，過(guò)濾各種指定的流；有些應(yīng)用則由軟件自動(dòng)創(chuàng)建ACL，這種應(yīng)用下無(wú)法直接操作ACL中ACE，由軟件自動(dòng)進(jìn)行添加刪除操作。

1. 只要是符合某條ACE，就按照該ACE定義的動(dòng)作策略處理報(bào)文(Permit、Deny、Copy_To_Cpu等)，ACL 的ACE根據(jù)以太網(wǎng)報(bào)文的某些字段來(lái)標(biāo)識(shí)以太網(wǎng)報(bào)文，這些字段包括：

二層字段(Layer 2 Fields)：

48 位的源MAC 地址(必須申明所有48 位)

48 位的目的MAC 地址(必須申明所有48 位)

16 位的二層類型字段

三層字段(Layer 3 Fields)：

源IP 地址字段

目的IP 地址字段

協(xié)議類型字段

四層字段(Layer 4 Fields)：

可以申明一個(gè)TCP 的源端口、目的端口或者都申明

可以申明一個(gè)UDP 的源端口、目的端口或者都申明

2. 過(guò)濾域，指的就是在生成一條ACE 時(shí)，根據(jù)報(bào)文中的哪些字段用以對(duì)報(bào)文進(jìn)行識(shí)別、分類；

3. 過(guò)濾域模板，就是這些字段組合的定義，對(duì)應(yīng)于字段解析器中預(yù)先設(shè)置到的匹配域，比如，在生成某一條ACE時(shí)希望根據(jù)報(bào)文的目的IP 字段對(duì)報(bào)文進(jìn)行識(shí)別、分類，而在生成另一條ACE 時(shí)，希望根據(jù)的是報(bào)文的源IP 地址字段和UDP 的源端口字段，這樣，這兩條ACE 就使用了不同的過(guò)濾域模板。

4. 規(guī)則（Rules），指的是ACE 過(guò)濾域模板對(duì)應(yīng)的值，對(duì)應(yīng)于查找匹配引擎中預(yù)先申明的匹配規(guī)則。

5. 行為（Action），指的是ACE中指定的動(dòng)作，對(duì)應(yīng)于動(dòng)作策略引擎中預(yù)先申明的動(dòng)作策略。

6. 比如有一條ACE 內(nèi)容如下：

permit tcp host 192.168.12.2 any eq telnet

在這條ACE 中，

匹配域?yàn)橐韵伦侄蔚募希涸碔P地址字段、IP 協(xié)議字段、目的TCP 端口字段；

匹配規(guī)則為：源IP 地址＝Host 192.168.12.2；IP 協(xié)議＝TCP；TCP 目的端口 ＝ Telnet；

動(dòng)作策略為：允許通過(guò)（permit），即do_not_drop。

在實(shí)現(xiàn)上，為每個(gè)應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)或者多個(gè)ACL并關(guān)聯(lián)，然后根據(jù)各種應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)，將各應(yīng)用關(guān)聯(lián)的ACL按照硬件表項(xiàng)的優(yōu)先級(jí)關(guān)系設(shè)置硬件，從而達(dá)到高優(yōu)先級(jí)表項(xiàng)優(yōu)先生效的目的。

在不同產(chǎn)品上，支持的過(guò)濾域模板數(shù)量存在較大差異，實(shí)現(xiàn)原理及含義也不近一樣。

默認(rèn)行為

在目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的各種FFP相關(guān)應(yīng)用中，有些應(yīng)用存在默認(rèn)的行為，隱含“拒絕所有數(shù)據(jù)流”規(guī)則表項(xiàng)，目的是為了將不匹配的非法報(bào)文全部丟棄，對(duì)于這些存在默認(rèn)行為的應(yīng)用，存在默認(rèn)添加的表項(xiàng)，占用了一定數(shù)量的硬件表項(xiàng)。

同時(shí)，在起機(jī)后空配置的情況下，會(huì)有一些CPP及信任模式的默認(rèn)表項(xiàng)，這些隱含的表項(xiàng)也占用了一定數(shù)量的硬件表項(xiàng)，但是在統(tǒng)計(jì)硬件容量的過(guò)程中，又容易被忽略。

優(yōu)先級(jí)沖突處理

應(yīng)用優(yōu)先級(jí)是指多種應(yīng)用同時(shí)存在時(shí)，根據(jù)應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)關(guān)系，將高優(yōu)先級(jí)應(yīng)用的ACE裝在高優(yōu)先級(jí)的硬件表項(xiàng)上，以保證高優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用先生效，只有高優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用沒(méi)有表項(xiàng)匹配時(shí)，低優(yōu)先級(jí)應(yīng)用的表項(xiàng)才能生效。

某些應(yīng)用由于隱含“拒絕所有數(shù)據(jù)流”規(guī)則，會(huì)存在一條deny any的表項(xiàng)，這導(dǎo)致在同一個(gè)端口下多種應(yīng)用同時(shí)打開(kāi)時(shí)產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)沖突，低優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用表項(xiàng)完全不生效，例如：當(dāng)一個(gè)端口同時(shí)打開(kāi)DOT1X IP授權(quán)綁定、DHCP SNP綁定，這時(shí)候由于DOT1X IP授權(quán)綁定默認(rèn)會(huì)添加一個(gè)deny ip any的表項(xiàng)，導(dǎo)致而DHCP SNP綁定的所有表項(xiàng)不生效，因此，我們判斷一個(gè)端口的某個(gè)應(yīng)用配置是否生效是，需要考慮兩個(gè)方面：

1. 端口下是否存在高優(yōu)先級(jí)應(yīng)用被匹配，或者存在影響這個(gè)端口的高優(yōu)先級(jí)全局應(yīng)用被匹配；

2. 端口下是否存在隱含“拒絕所有數(shù)據(jù)流”規(guī)則的高優(yōu)先級(jí)應(yīng)用。

3. 對(duì)于不同端口下的多種應(yīng)用，則不存在優(yōu)先級(jí)沖突。

在交換機(jī)上嵌入各種功能強(qiáng)大FFP引擎后，使得交換機(jī)能夠提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)流過(guò)濾功能，能很方便根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體情況進(jìn)行安全部署，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制，提高交換機(jī)在安全接入、匯聚等各方面的性能，在發(fā)展迅速的網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)中將得到廣泛應(yīng)用。

（作者單位為集美大學(xué)）