网络设备硬核技术内幕 防火墙与安全网关篇 (三)

2022-07-27 21:27:10 浏览数 (1)

上回说到,令狐冲用NP实现的防火墙由于带机数量不足引发大规模网络故障,被岳不群罚去思过崖封闭开发。

为什么NP实现的防火墙会出现这种限制呢?

这要从防火墙与路由器的转发机制区别谈起。

我们在前面的专题中已经讲过,三层交换机和路由器的转发,是基于目的IP的精确匹配,在目的IP匹配失败时,再进行最长匹配。NP芯片具有外接TCAM的能力,可以在O(1)的时间内,在TCAM内查找到基于32bit (IPv4)或128bit (IPv6)的转发表,如这张图:

但是,防火墙与交换机/路由器的查表机制,有着本质的区别。

交换机和路由器工作在网络层,是基于IP地址的,而防火墙却是工作在四层的设备,是基于流的。

什么叫基于流的呢?

举一个栗子。

如图,100.1.1.100通过端口41316,向服务器200.1.1.100的443端口发起访问,打开一个https页面,会在防火墙上会产生一条会话:

100.1.1.100:41316 -> 200.1.1.100:443 @TCP

其中,100.1.1.100:41316是发起方,200.1.1.100:443是响应方。TCP指的是传输层协议。

一条会话(Session)在防火墙的转发平面上会产生两个表项,这是为什么呢?

因为,回程流量的源IP/目的IP/源端口/目的端口,和发起流量的表项是相反的。在防火墙上称为会话的两翼(wing)。

那么,当100.1.1.100又访问服务器200.1.1.100的另一个页面时,会发起另一个TCP会话:

100.1.1.100:41318 -> 200.1.1.100:443 @TCP

防火墙上又增加了两条表项:

显然,对于交换机和路由器而言,网络中的每个IP只会产生一条表项——指向该IP地址的FIB表,而在防火墙上,由于每个IP会产生多个网络连接,表项数量会大大多于路由器。

同时,我们注意到,路由器和交换机基于IP地址查找,查找键值(key)是32bit (IPv4)或128bit (IPv6)。

但在防火墙中,查找表项为基于五元组的:

SIP——32bit/128bit

DIP——32bit/128bit

SPort——16bit

DPort——16bit

Proto——8bit

这样,即使在IPv4环境中,Key也将长达96bit。在IPv6环境中则可达到320bit(考虑到32bit对齐,需要补齐PAD)。这也将成倍增加TCAM的使用量。

因此,在路由器中,NP外扩TCAM可以实现的4M会话表项,在防火墙中大概只能实现不到1M的会话wing数,折合会话数量不超过50万。以每IP发起200个连接计,NP实现的防火墙带机量不超过2500用户,难以满足大中型企业的要求。

那么,如何让防火墙容纳更多的会话呢?

一种思路是,增加TCAM的容量,但带来的是成本也迅速提升。而且,NP外挂TCAM的规格也受到NP芯片的限制。

令狐冲迅速打消了这个念头。

什么便宜容量大呢?

令狐冲想起来了一样东西——

DRAM,俗称内存。

这个家伙价钱便宜,量又足,每GB成本在百元级别,却可以装下百万级别会话表项。需要做出支持上千万级别会话的防火墙,内存器件成本不会超过1000元。

但是,NP并不能从这个家伙里面快速查找表项。

怎么办呢?

欲知令狐冲如何把防火墙表项放进内存条,请看下回分解。

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