基于狀態(tài)檢測技術(shù)的NAT設(shè)計與FPGA實現(xiàn)

◆盧宇浩 廖 游

基于狀態(tài)檢測技術(shù)的NAT設(shè)計與FPGA實現(xiàn)

◆盧宇浩 廖 游

（中國電子科技集團第三十研究所 四川 610000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)地址資源需求也在不斷增長，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT) 依然是緩解網(wǎng)絡(luò)地址緊缺問題非常有效手段，新形勢下網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備對于使用國產(chǎn)化芯片的需求越來越高，本文提出了一種基于狀態(tài)檢測技術(shù)的NAT設(shè)計，并在國產(chǎn)CPU和FPGA的平臺上進行了試驗和驗證。

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）；狀態(tài)檢測；可編程邏輯陣列（FPGA）；國產(chǎn)化平臺

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量、終端以及業(yè)務(wù)類型都在飛速增加，網(wǎng)絡(luò)地址資源需求也在不斷增長[1]，雖然業(yè)界提出從IPV4過渡到IPV6，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的IP地址從32bits增加到128bits，徹底解決網(wǎng)絡(luò)地址資源緊缺問題[2]，但是由于IPV6的全面推廣過程較慢，而5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)突飛猛進，網(wǎng)絡(luò)地址緊缺的現(xiàn)象并沒有緩解，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT) 依然是緩解網(wǎng)絡(luò)地址緊缺問題非常有效手段[3]。

2019年，中美貿(mào)易戰(zhàn)再次升級，網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備中的進口芯片已成為“卡脖子”問題，新形勢下網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備芯片自主可控勢在必行，然而由于國產(chǎn)處理器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理性能較低，使用國產(chǎn)FPGA來實現(xiàn)硬件加速，提升國產(chǎn)化平臺的整體處理性能就顯得非常重要。

1 NAT原理和狀態(tài)檢測技術(shù)

NAT(Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)技術(shù)的基本功能是用一個或幾個公網(wǎng)IP地址來實現(xiàn)一個局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上所有主機都可以訪問公網(wǎng)[4]。NAT實現(xiàn)的方式有很多，包括源地址轉(zhuǎn)換（SNAT）、目的地址轉(zhuǎn)換（DNAT）以及雙向地址轉(zhuǎn)換（雙向NAT）。本文設(shè)計將支持以上所有NAT轉(zhuǎn)換方式。各轉(zhuǎn)換方式基本功能和特點如下：

源地址轉(zhuǎn)換（SNAT）：用于將符合條件的數(shù)據(jù)進行源IP地址轉(zhuǎn)換，最常用的是設(shè)備部署在公網(wǎng)出口時，代理內(nèi)網(wǎng)用戶上網(wǎng)，需要設(shè)置源地址轉(zhuǎn)換規(guī)則進行源地址轉(zhuǎn)換。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的所有主機均可共享一個或者多個合法外部網(wǎng)絡(luò)地址實現(xiàn)對外網(wǎng)的訪問[5]。

目標地址轉(zhuǎn)換（DNAT）：用于對經(jīng)過設(shè)備的數(shù)據(jù)做目標地址轉(zhuǎn)換。通過將內(nèi)外服務(wù)器的服務(wù)映射到公網(wǎng)，使外網(wǎng)用戶通過訪問防火墻上的公網(wǎng)IP訪問到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器。

雙向地址轉(zhuǎn)換（雙向NAT）：指在對經(jīng)過設(shè)備的數(shù)據(jù)同時作含源地址和目標地址轉(zhuǎn)換，用于內(nèi)外用戶通過公網(wǎng)IP或者域名訪問內(nèi)網(wǎng)的服務(wù)器的情況。

狀態(tài)檢測技術(shù)：是當今防火墻市場中普遍采用的主流技術(shù)，是一種基于會話連接的狀態(tài)檢測機制，將屬于同一會話的所有包作為一個整體的數(shù)據(jù)流看待[6]，構(gòu)成會話狀態(tài)表，通過規(guī)則表與狀態(tài)表的共同配合，對表中的各個連接狀態(tài)因素加以識別[7]，對數(shù)據(jù)報文進行丟棄或放行。

2 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

本文設(shè)計的具體業(yè)務(wù)流程如圖1所示，包括FPGA業(yè)務(wù)流程和CPU業(yè)務(wù)流程。

2.1 FPGA業(yè)務(wù)流程

報文進行FPGA的會話表過濾模塊后，提取報文中的五元組信息查表，若未能匹配表項，則表明此數(shù)據(jù)報文為整個會話首包，需將此報文上傳CPU，進入CPU業(yè)務(wù)流程，若匹配到表項，則進入到下一級會話表過濾流程；模塊根據(jù)返回的動作action判斷報文是否需要丟棄，若不需丟棄，則判斷是否需要進行NAT轉(zhuǎn)換，若需要則根據(jù)返回的80bits替換信息將報文中對應(yīng)的源IP+目的IP+源端口+目的端口進行轉(zhuǎn)換后重新計算IP首部的校驗和更新后，整個過程結(jié)束，報文發(fā)出。

2.2 CPU業(yè)務(wù)流程

CPU收到FPGA上傳的首包后，開始進入會話跟蹤流程，判斷報文是否通過狀態(tài)檢測，若未通過，則報文丟棄，并下發(fā)丟棄規(guī)則表項到FPGA，此會話后續(xù)數(shù)據(jù)報文由FPGA丟棄，若通過，則判斷是否需要進行NAT轉(zhuǎn)換，若不需要，則直接發(fā)走，若需要，則進行對應(yīng)轉(zhuǎn)換、更新首部校驗以及將報文發(fā)出，并將對應(yīng)的轉(zhuǎn)換內(nèi)容表項下發(fā)到FPGA，后續(xù)由FPGA執(zhí)行轉(zhuǎn)換工作。

圖1 基于狀態(tài)檢測技術(shù)的NAT功能業(yè)務(wù)流程圖

3 FPGA實現(xiàn)

本文使用軟硬件結(jié)合（CPU+FPGA）的方式實現(xiàn)NAT功能，在狀態(tài)檢查技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入NAT判斷分支，結(jié)合狀態(tài)檢測技術(shù)中的會話表五元組提取、查表、狀態(tài)跟蹤、表項下發(fā)等流程，將SNAT、DNAT、雙向NAT等多種轉(zhuǎn)換方式的NAT功能直接抽象為利用FPGA的并行處理能力，將數(shù)據(jù)報文中的源IP+目的IP+源端口+目的端口（共80bits）全部進行轉(zhuǎn)換。軟件負責(zé)下發(fā)80位的內(nèi)容，其中若不需更改的內(nèi)容填成原有內(nèi)容，F(xiàn)PGA通過查表查出數(shù)據(jù)報文所需的新源IP+目的IP+源端口+目的端口，并進行對位轉(zhuǎn)換，最后計算更新IP首部校驗和，發(fā)送到下一級模塊，完成整個NAT功能。具體FPGA實現(xiàn)架構(gòu)如圖2。

會話表過濾模塊：模塊包括狀態(tài)檢測技術(shù)中會話表過濾功能，數(shù)據(jù)報文進入模塊后，提取報文中的五元組信息（源IP+目的IP+源端口+目的端口+協(xié)議）進行匹配查表，若無匹配表項，則將該數(shù)據(jù)報文上傳CPU處理，若匹配到表項，則更具返回的action動作將數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的處理模塊。

action動作的具體含義如表1。

圖2 FPGA實現(xiàn)架構(gòu)圖

表1 動作action的具體含義

搜索引擎接口模塊：負責(zé)搜索引擎芯片初始化，表項配置管理、查表調(diào)度等功能；

主控模塊：（1）將會話表過濾模塊上報的數(shù)據(jù)報文上傳到CPU；（2）將CPU下發(fā)的會話表表項發(fā)送到搜索引擎接口模塊；（3）根據(jù)搜索引擎返回的index查找片內(nèi)SRAM，得到處理動作action以及NAT轉(zhuǎn)換需要的nat_ip、nat_port等信息。

片內(nèi)SRAM：利用FPGA中的block ram資源生成的SRAM，用于存儲五元組表項對應(yīng)的動作action以及NAT轉(zhuǎn)換需要的nat_ip、nat_port等信息。

NAT轉(zhuǎn)換模塊：只對數(shù)據(jù)報文的源IP+目的IP+源端口+目的端口進行轉(zhuǎn)換，用主控發(fā)來80位數(shù)據(jù)按位置進行相應(yīng)替換操作。

更新IP首部校驗和模塊：對NAT轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)報文重新計算IP首部校驗和，并更新。

4 試驗與結(jié)論

根據(jù)本文提出的設(shè)計方法，在龍芯2h處理器+紫光國微2V6000 FPGA的全國產(chǎn)軟硬件平臺上進行了驗證，采用TestCenter網(wǎng)絡(luò)測試儀進行網(wǎng)絡(luò)吞吐率測試（表2），測試結(jié)果充分表明基于狀態(tài)檢測技術(shù)的NAT功能利用FPGA硬件加速能力，在全國產(chǎn)化平臺上性能得到了極大的提升，64字節(jié)小包提升18倍，大包接近千兆線速水平。

表2 吞吐率測試結(jié)果

[1]趙勝穎，高廣春．基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)的實現(xiàn)[J]．儀器儀表學(xué)報，2008（8）：370-373.

[2]張祖林，徐國洪，印成清．計算機組裝與聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M]．華中科技大學(xué)出版社，2005.

[3]林滿．基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶IP城域網(wǎng)建設(shè)[D]．廈門大學(xué)，2002.

[4]張廣德．基于SIP的NAT穿越防火墻的研究與設(shè)計[D]．上海交通大學(xué)，2010.

[5]秦添．P2P網(wǎng)絡(luò)中NAT穿透方法的研究與實現(xiàn)[D]．湖南大學(xué)，2009.

[6]何飛雄．基于Filter-hook網(wǎng)絡(luò)防火墻的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．華東師范大學(xué)，2010.

[7]秦志光．基于網(wǎng)絡(luò)處理器的IPV6狀態(tài)跟蹤防火墻設(shè)計與實現(xiàn)[D]．電子科技大學(xué)，2006.