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摘 要：本文提出了一种基于FPGA的硬件防火墙的实现方案，采用FPGA来实现百兆线速以上的防火墙设计。网络数据在建立连接跟踪后，由FPGA实现的快速处理板直接转发，实现了网络数据的线速处理，通用CPU在操作系统支持下，完成网络数据连接跟踪的创建、维护以及对网络规则表的维护等工作。
关键词：防火墙；FPGA；Verilog HDL；CPU
一、引言
防火墙是一种基本的网络防护设备。它是一种设置在内部网和外部网之间的安全网关，通过安全策略和规则来控制外部用户对内部资源的访问，使外部网和内部网之间既保持连通性，又根据规则间接交换信息。防火墙所采用的硬件设备必须满足网络处理性能的需求。在早期网络中，数据速率相对较低，协议也比较简单，因此网络设备通常以通用处理器配合分組处理软件实现。然而，随着数据速率的不断提高和协议的日益复杂，通用处理器处理能力的增长逐渐落后于数据速率的增长，因此，基于通用处理器平台的网络产品开发者遇到了性能上的障碍。
本文针对目前防火墙的设计方式提出了一种基于FPGA的硬件防火墙的实现方案，采用FPGA来实现百兆线速以上的防火墙设计。传统的基于x86等通用CPU的防火墙无法适应当前快速增长的网络速度，无法实现线速过滤与转发。本文采用FPGA结合通用CPU模式，可以快速处理网络数据，能够避免NP的不足。网络数据在建立连接跟踪后，由FPGA实现的快速处理板直接转发，实现了网络数据的线速处理。通用CPU在操作系统支持下，完成网络数据连接跟踪的创建、维护以及对网络规则表（端口黑名单、IP黑名单、端口白名单）的维护等工作。FPGA硬件板和CPU各司其职，实现快速转发的目的。实践证明，这是一种兼容性比较好的网络安全架构。
二、系统整体设计方案
硬件防火墙分为两个数据通道，FPGA硬件板承担网络数据的按规则高速收发与转发，并按指定规则要求通过PCI-E将数据上传至x86CPU；x86主控板承担慢速通道工作。
防火墙软件系统根据TCP、UDP、ICMP协议实现不同的连接跟踪、跟踪表项的匹配、跟踪表的动态维护；x86上防火墙软件系统通过硬件驱动程序和FPGA硬件板进行通讯。
图1中所示为FPGA系统设计过程中网络抓包实验中所形成的硬件架构图。FPGA网络抓包的数据可以通过串口发送至上位机，实验可以清晰判断当前网络收发架构设计是否合理，能否准确地收发100Mbps的网络数据。
在实现了基本的数据收发后，确定防火墙系统整体架构和功能模块，如图2所示。
可以看出在這里主要由网络接口、网络控制、MAC、外网处理模块、PC处理模块、PCI-E与DDR控制模块几大部分构成。
三、系统HDL设计方案
系统使用Verilog HDL语言完成设计。下面介绍一些主要模块设计。
1.外网控制
本模块的主要功能如图3所示：
（1）存储接收到的外网报文；
（2）对接收到的外网报文进行关键字提取和识别；
（3）对提取的结果根据用户配置进行过滤；
（4）读取存储的本帧数据，根据本帧过滤的结果对其进行打包处理。
本模块时序图设计如图4所示。
2.子模块报文缓存功能设计
本模块的功能是：用于缓存接收到的报文，等待本报文的过滤结果，由报文封装模块读取此报文或者丢弃报文。本模块实质上是一个循环的buffer，其位宽是64，深度是1024，可以存储5个最大的1518Bytes报文。缓存模块内部维护读写地址和可写的空间，当可写的空间小于1518Bytes时，不再接收数据。
本模块的结构如图5所示：
处理流程为：
（1）当报文到达时，首先检查可写空间是否大于1518Bytes，如果大于则向RAM中存入次报文，写地址，循环累加，写完后将本次写入的数据量送给可写空间维护，如果小于1518Bytes丢弃本报文，写地址不变；
（2）写空间维护，维护一个Counter，累加写数据量，累减读数据量，用RAM的总空间减去这个Counter就是可写空间；
（3）当收到报文封装模块的读使能时，读地址累加，读取RAM送出读数据。
3.子模关键字提取功能设计
本模块的任务是：在报文中提取过滤规则的关键字，关键字为标准IP协议数据包。
通过Type识别是否为IP报文，如果是，继续提取Protocol、SIP、DIP；通过Protocol识别是否是TCP或者UDP报文，如果是，继续提取SPort与DPort。报文结构如图6所示，但是没有option域。另外需要获得本报文的长度（以Byte为单位）。
处理流程图如图7所示。
四、设计仿真测试
上述设计代码在综合后下载至硬件FPGA硬件板后，配合x86端测试软件进行测试。限于实际条件，采用自循环数据测试数据收发，以及指定IP地址和端口地址的过滤测试，测试模式如图8所示。经实际测试，系统能够完成百兆数据的线速收发和指定规则的过滤。
五、结束语
本文基于FPGA的防火墙设计完成了基本的设计目标，能够正常转发和过滤指定规则的数据，能够准确进行仿真和验证，但仍属于教学演示性设计，后续可以继续进行优化，使系统更加完善。
（通讯作者：刘超）
参考文献：
[1]夏宇闻.从算法设计到硬件逻辑的实现[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]王金明，杨吉斌. 数字系统设计与Verilog HDL[M]. 北京：电子工业出版社，2002.
[3]郑尧.硬件防火墙中多模式匹配算法的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[4]唐正军，李建华.入侵检测技术[M].北京：清华大学出版社，2004.
[5]Wes Noonan， Ido Dubrawsky（美）.防火墙基础[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[6]胡道元.网络安全[M].北京：清华大学出版社，2004.
[7]石晶林，程胜，孙江明.网络处理器原理、设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.
[8]肖晨阳.基于FPGA的硬件防火墙设计和实现[D].长沙：湖南师范大学，2009.
作者简介：唐泽坤（1994- ），男，山西长治人，大学本科在读，电子科学与技术专业；刘超（1981- ），男，辽宁凌源人，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统。
关键词：防火墙；FPGA；Verilog HDL；CPU
一、引言
防火墙是一种基本的网络防护设备。它是一种设置在内部网和外部网之间的安全网关，通过安全策略和规则来控制外部用户对内部资源的访问，使外部网和内部网之间既保持连通性，又根据规则间接交换信息。防火墙所采用的硬件设备必须满足网络处理性能的需求。在早期网络中，数据速率相对较低，协议也比较简单，因此网络设备通常以通用处理器配合分組处理软件实现。然而，随着数据速率的不断提高和协议的日益复杂，通用处理器处理能力的增长逐渐落后于数据速率的增长，因此，基于通用处理器平台的网络产品开发者遇到了性能上的障碍。
本文针对目前防火墙的设计方式提出了一种基于FPGA的硬件防火墙的实现方案，采用FPGA来实现百兆线速以上的防火墙设计。传统的基于x86等通用CPU的防火墙无法适应当前快速增长的网络速度，无法实现线速过滤与转发。本文采用FPGA结合通用CPU模式，可以快速处理网络数据，能够避免NP的不足。网络数据在建立连接跟踪后，由FPGA实现的快速处理板直接转发，实现了网络数据的线速处理。通用CPU在操作系统支持下，完成网络数据连接跟踪的创建、维护以及对网络规则表（端口黑名单、IP黑名单、端口白名单）的维护等工作。FPGA硬件板和CPU各司其职，实现快速转发的目的。实践证明，这是一种兼容性比较好的网络安全架构。
二、系统整体设计方案
硬件防火墙分为两个数据通道，FPGA硬件板承担网络数据的按规则高速收发与转发，并按指定规则要求通过PCI-E将数据上传至x86CPU；x86主控板承担慢速通道工作。
防火墙软件系统根据TCP、UDP、ICMP协议实现不同的连接跟踪、跟踪表项的匹配、跟踪表的动态维护；x86上防火墙软件系统通过硬件驱动程序和FPGA硬件板进行通讯。
图1中所示为FPGA系统设计过程中网络抓包实验中所形成的硬件架构图。FPGA网络抓包的数据可以通过串口发送至上位机，实验可以清晰判断当前网络收发架构设计是否合理，能否准确地收发100Mbps的网络数据。
在实现了基本的数据收发后，确定防火墙系统整体架构和功能模块，如图2所示。
可以看出在這里主要由网络接口、网络控制、MAC、外网处理模块、PC处理模块、PCI-E与DDR控制模块几大部分构成。
三、系统HDL设计方案
系统使用Verilog HDL语言完成设计。下面介绍一些主要模块设计。
1.外网控制
本模块的主要功能如图3所示：
（1）存储接收到的外网报文；
（2）对接收到的外网报文进行关键字提取和识别；
（3）对提取的结果根据用户配置进行过滤；
（4）读取存储的本帧数据，根据本帧过滤的结果对其进行打包处理。
本模块时序图设计如图4所示。
2.子模块报文缓存功能设计
本模块的功能是：用于缓存接收到的报文，等待本报文的过滤结果，由报文封装模块读取此报文或者丢弃报文。本模块实质上是一个循环的buffer，其位宽是64，深度是1024，可以存储5个最大的1518Bytes报文。缓存模块内部维护读写地址和可写的空间，当可写的空间小于1518Bytes时，不再接收数据。
本模块的结构如图5所示：
处理流程为：
（1）当报文到达时，首先检查可写空间是否大于1518Bytes，如果大于则向RAM中存入次报文，写地址，循环累加，写完后将本次写入的数据量送给可写空间维护，如果小于1518Bytes丢弃本报文，写地址不变；
（2）写空间维护，维护一个Counter，累加写数据量，累减读数据量，用RAM的总空间减去这个Counter就是可写空间；
（3）当收到报文封装模块的读使能时，读地址累加，读取RAM送出读数据。
3.子模关键字提取功能设计
本模块的任务是：在报文中提取过滤规则的关键字，关键字为标准IP协议数据包。
通过Type识别是否为IP报文，如果是，继续提取Protocol、SIP、DIP；通过Protocol识别是否是TCP或者UDP报文，如果是，继续提取SPort与DPort。报文结构如图6所示，但是没有option域。另外需要获得本报文的长度（以Byte为单位）。
处理流程图如图7所示。
四、设计仿真测试
上述设计代码在综合后下载至硬件FPGA硬件板后，配合x86端测试软件进行测试。限于实际条件，采用自循环数据测试数据收发，以及指定IP地址和端口地址的过滤测试，测试模式如图8所示。经实际测试，系统能够完成百兆数据的线速收发和指定规则的过滤。
五、结束语
本文基于FPGA的防火墙设计完成了基本的设计目标，能够正常转发和过滤指定规则的数据，能够准确进行仿真和验证，但仍属于教学演示性设计，后续可以继续进行优化，使系统更加完善。
（通讯作者：刘超）
参考文献：
[1]夏宇闻.从算法设计到硬件逻辑的实现[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2]王金明，杨吉斌. 数字系统设计与Verilog HDL[M]. 北京：电子工业出版社，2002.
[3]郑尧.硬件防火墙中多模式匹配算法的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[4]唐正军，李建华.入侵检测技术[M].北京：清华大学出版社，2004.
[5]Wes Noonan， Ido Dubrawsky（美）.防火墙基础[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[6]胡道元.网络安全[M].北京：清华大学出版社，2004.
[7]石晶林，程胜，孙江明.网络处理器原理、设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2003.
[8]肖晨阳.基于FPGA的硬件防火墙设计和实现[D].长沙：湖南师范大学，2009.
作者简介：唐泽坤（1994- ），男，山西长治人，大学本科在读，电子科学与技术专业；刘超（1981- ），男，辽宁凌源人，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统。