聚焦40G和智能DPI的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)

Linley集團近期市場分析預(yù)測，在未來5年內(nèi)連接設(shè)備將增長26倍。到2015年，僅智能手機出貨量就將達到6.75億，預(yù)計增長2.8倍。

在同樣的時間段里，具有無線功能的移動計算設(shè)備預(yù)計將從32%上升至65%。從應(yīng)用的角度來看，移動視頻推動了對帶寬和低延遲的需求，二者都是可預(yù)見且一致的。思科的分析表明，所有移動數(shù)據(jù)流量中66%包含視頻內(nèi)容。隨著社會網(wǎng)絡(luò)化和以“云”為基礎(chǔ)的商業(yè)模式的發(fā)展，我們將看到在未來幾年內(nèi)基于Web和應(yīng)用的瀏覽會增加21%。這些新的市場需求和移動設(shè)備中對新技術(shù)的積極采用帶來了多種技術(shù)上的垗戰(zhàn)，我們在向市場推出新服務(wù)時必須考慮到這一點。

由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的增加，帶寬匹配和計算性能的挑戰(zhàn)也在增加。它現(xiàn)在需要維持龐大的流量和迅速倍增的用戶數(shù)據(jù)量，因為新設(shè)備增加了許多倍。安全性也變得更加重要，因為連接到移動網(wǎng)絡(luò)的更多設(shè)備、操作系統(tǒng)和應(yīng)用暴露了新的威脅。它們除了傷害個人用戶和設(shè)備外，會潛在地傷害整個網(wǎng)絡(luò)。運營商在發(fā)展自己的網(wǎng)絡(luò)及尋找提供具有預(yù)期安全水平的無處不在的訪問方式時，必須考慮到所有這一切。

LTE與演進包核心

3GPP已經(jīng)為下一代移動基礎(chǔ)設(shè)備創(chuàng)建了架構(gòu)，稱為LTE（Long Term Evolution，長期演進）。LTE為基于多個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和無線接口，并遷移到僅基于IP的互聯(lián)戰(zhàn)略。此IP網(wǎng)絡(luò)將提供與任何設(shè)備之間基于數(shù)據(jù)包的語音、視頻和內(nèi)容轉(zhuǎn)碼。支持100Mbps的LTE目前每臺設(shè)備的延遲小于10ms，將來的版本可能是這個速度的3倍。

LTE的主要功能成分是演進包核心（Evolved Packet Core, EPC），它被構(gòu)造為一種安全的IP網(wǎng)絡(luò)，且必須提供多個當(dāng)前及傳統(tǒng)RAN的移動性和互通性的支持。EPC有3個主要子實體。

1. MME（Mobility Management Entity，移動管理實體）提供了用于LTE接入網(wǎng)絡(luò)的主要控制。它跟蹤負責(zé)身份驗證、移動性，以及與傳統(tǒng)接入2G/3G接入網(wǎng)絡(luò)的互通性的用戶設(shè)備(UE)。該MME還支持合法的信號攔截。
2.SWG（服務(wù)網(wǎng)關(guān)）路由和轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)包，同時也作為eNodeB之間互相傳遞期間用戶平面的移動錨，以及作為LTE和其他3GPP技術(shù)的移動性的錨。

3.PGW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）管理用戶設(shè)備(UE)和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的連接。一個UE可以與訪問多個PDN的多個PGW同步連接。PGW執(zhí)行政策的實施，為每個用戶進行數(shù)據(jù)包過濾、計費支持、合法攔截和數(shù)據(jù)包篩選。

分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是推動對處理器和帶寬性能增加需求的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)元素。PGW的主要功能是UE IP地址分配、基于每個用戶的數(shù)據(jù)包過濾、深度包檢測(DPI)和合法攔截。

下圖顯示了PGW內(nèi)具備的廣泛功能和所需的軟件和協(xié)議層，以及SGW和PGW之間的一些公共層。這類功能中有些需要大量處理資源，必須能處理不會反過來影響整體網(wǎng)絡(luò)性能的吞吐量和連通性。支持這些重要功能的唯一可行方式是利用專用硬件資源。

核心網(wǎng)絡(luò)的安全性

PGW中推動高帶寬和處理性能的功能主要是與核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中的安全要求有關(guān)的功能。其中許多（如果不是所有）功能需要10GbE以上的高帶寬接口。檢測運行中的流量然后根據(jù)每個數(shù)據(jù)包的內(nèi)容做決定的能力，是PGW安全功能得以實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。這項技術(shù)稱為深度包檢測(DPI)，由專門的多核處理器驅(qū)動，并配以最高可達40GbE的I/O。利用處理器之間的高速互聯(lián)是維持流量和平衡PGW平臺中的處理器利用率的另一個關(guān)鍵推動因素。這種傳輸機制需要三層處理，利用各個處理器刀片上的40GbE接口。這種刀片處理器有一個可將特定數(shù)據(jù)包路由到專用socket和/ 或刀片內(nèi)核的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

深度包檢測

顧名思義，DPI深度關(guān)注數(shù)據(jù)流量，并能夠讀取每一個字節(jié)，直到它可以判斷是否需要根據(jù)其預(yù)先設(shè)定的規(guī)則之一標(biāo)記任何特定數(shù)據(jù)包。DPI是一個專門的硬件和軟件組合，能夠標(biāo)識特定協(xié)議和應(yīng)用程序、不恰當(dāng)?shù)腢RL、入侵企圖和惡意軟件。在許多情況下，DPI引擎只是標(biāo)識和標(biāo)記“違規(guī)”數(shù)據(jù)包，并報告給一個更高級的應(yīng)用機構(gòu)。在某些情況下，比如入侵企圖、病毒或惡意軟件，系統(tǒng)可以采取預(yù)防性行動來完全拒絕或阻止特定的數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)流。

典型DPI系統(tǒng)的功能分為四大類：

»協(xié)議分析與應(yīng)用識別——任何DPI系統(tǒng)的基礎(chǔ)都是識別和分離多種不同協(xié)議的能力。如今的復(fù)雜DPI系統(tǒng)可以識別數(shù)百個協(xié)議，幾乎涵蓋了所有應(yīng)用和服務(wù)類型。

»防惡意軟件和反病毒防護——互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的副作用是嚴(yán)重的病毒和惡意軟件問題。DPI系統(tǒng)通過與包含已識別的惡意URL和病毒簽名的廣泛數(shù)據(jù)庫作比較，可以識別并消除這些威脅。

» IDS和/或IPS——入侵檢測系統(tǒng)(IDS)和入侵防御系統(tǒng)(IPS)在許多方面是相似的，在一個關(guān)鍵方面不同。兩者都檢測未經(jīng)授權(quán)者（比如黑客）入侵企圖，但IDS僅僅記錄和報告，而IPS檢測到入侵時會自動采取行動。

» URL過濾——一個相對簡單和直接的功能，將URL與已知威脅數(shù)據(jù)庫作比較，過濾并刪除潛在的威脅。難點在于要能夠以“線速”為數(shù)以百萬計的URL做這一切。

鑒于PGW平臺的吞吐量需要，任何DPI引擎都必須具備檢查龐大數(shù)量的數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)包的能力。這種軟件引擎本質(zhì)上是一個不斷重復(fù)的任務(wù)集，它在高度并行環(huán)境下工作，使多核架構(gòu)成為性能和可擴展性方面的理想解決方案。這些技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商之一是Cavium Networks公司，它們提供的多核OCTEON II處理器具有內(nèi)置包檢測引擎。

Cavium Networks公司的OCTEON II

OCTEON II多核處理器系列面向高性能、高吞吐量、服務(wù)豐富的應(yīng)用。該系列的一個主要特征是它具備從1-2個內(nèi)核擴展到32個內(nèi)核的能力，采用一個共同的軟件架構(gòu)。CN68XX處理器系列為苛刻的4G/LTE基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用提供了最高的計算性能。配備20個可配置第二代SERDES、4個DDR3控制器、一個4MB的二級緩存，以及整套應(yīng)用加速解決方案，包括數(shù)據(jù)包處理、加密/解密、深度包檢測、壓縮/解壓，CN68XX提供了計算和網(wǎng)絡(luò)吞吐量處理和服務(wù)的理想組合。

OCTEON II等專業(yè)高性能芯片，是位于GPW解決方案的核心DPI引擎的理想動力來源。軟件是下一個步驟，Cavium Networks公司為不希望一切都從頭開始寫的開發(fā)商創(chuàng)建了TurboDPITM。這是一款基于網(wǎng)絡(luò)的多功能軟件平臺，旨在利用OCTEIO II處理器及其內(nèi)置的包檢測引擎。TurboDPI系統(tǒng)為四個關(guān)鍵DPI功能都提供了內(nèi)置支持：協(xié)議檢測與應(yīng)用識別、防惡意軟件和防病毒、IDS/IPS 和URL過濾。憑借對現(xiàn)成的或自定義配置文件和威脅數(shù)據(jù)庫的支持，該系統(tǒng)可以方便地進行更新，既可手動更新也可使用自動分析服務(wù)（比如卡巴斯基）完成。然后，標(biāo)記為陽性(positive)，并傳送到相應(yīng)的應(yīng)用程序（比如防惡意軟件）進行進一步處理。

它設(shè)計為可以方便地在多個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的TurboDPI上實現(xiàn)，以便輕松地擴展平臺體系結(jié)構(gòu)，可用于跨AMC(AdvancedMC)模塊和 ATCA(AdvancedTCA)刀片系統(tǒng)設(shè)計支持。在高端產(chǎn)品上，性能是一個關(guān)鍵設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而OCTEON II和TurboDPI的組合能夠以高達40Gbps的數(shù)據(jù)速率處理數(shù)據(jù)包。

Cavium Networks的解決方案的功能和性能特點與PGW實現(xiàn)所要求的整體能力和吞吐量，使得ATCA成為構(gòu)建這種應(yīng)用程序的理想硬件平臺。ATCA標(biāo)準(zhǔn)早已在許多不同基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域建立起來，它不斷發(fā)展擴大規(guī)范以滿足不斷擴張的網(wǎng)絡(luò)日益增長的需求。目前10Gbps能力的平臺現(xiàn)在已經(jīng)根據(jù)IEEE以太網(wǎng)修訂版802.3ba和對PICMG3.1規(guī)范的相關(guān)更新進行了擴展。這些新的標(biāo)準(zhǔn)使ATCA平臺一馬當(dāng)先，可以支持40Gbps的背板和能夠充分利用這些吞吐量水平的相關(guān)處理器卡。

AdvancedTCA平臺解決方案

控創(chuàng)集團是嵌入式計算和通信技術(shù)的領(lǐng)先制造商之一，將所有這些元素結(jié)合在一起，產(chǎn)生了一個與EPC分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的要求相匹配的平臺解決方案。 AT8242是第三代控創(chuàng)包處理器產(chǎn)品，它搭載了Cavium Networks公司的兩個CN6880 OCTEON II MIPS64數(shù)據(jù)包處理器，總共達到64個內(nèi)核。利用OCTEON II的多核優(yōu)勢，AT8242能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的能耗比以及整體功耗優(yōu)化，同時傳播到TurboDPI提供的所有DPI功能上。網(wǎng)絡(luò)連通性和吞吐量要求與每臺支持2個20Gbps和2個10Gbps總共達60Gbps的以太網(wǎng)多層交換機的處理器的要求不相上下，帶寬容量最高可達320Gbps，并連接到可配置的40/10GbE連接的光纖接口。

為了豐富全面的PGW應(yīng)用就緒解決方案或其他4G LTE應(yīng)用，控創(chuàng)提供了兼容的40G和10G ATCA平臺。OM9141-40G和OM9141-10G是控創(chuàng)開放式模塊化核心平臺系列的一部分。每個ATCA 14槽集成核心平臺配備了冗余電源輸入模塊、帶熱插拔冗余風(fēng)扇的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，以及40/10GbE交換能力和管理軟件及平臺同步接口。

對網(wǎng)絡(luò)容量不斷增加的需求所產(chǎn)生的機會是令人興奮的。我們要迎接與這些機會一起到來的挑戰(zhàn)（比如增加的安全性）。產(chǎn)生的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等新的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和元素，來迎接幫助它們實現(xiàn)目標(biāo)技術(shù)的挑戰(zhàn)和發(fā)展。高性能和吞吐量網(wǎng)絡(luò)處理和DPI解決方案對于眾多新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和專門處理器（比如連接 40Gbps電路板的OCTEON II）將至關(guān)重要，控創(chuàng)等公司提供的系統(tǒng)平臺是領(lǐng)軍者。