在閱讀本文之前，我們請讀者牢記產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟學上的三個要素：技術、成本與市場需求。因為在FPGA安全產(chǎn)品的應用進程中，始終離不開這三個支點。

　　另外，我們也需要明確以下問題：

　　第一，F(xiàn)PGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）在現(xiàn)代數(shù)字電路設計中發(fā)揮著越來越重要的作用。從設計簡單的接口電路到設計復雜的狀態(tài)機，甚至設計“System On Chip”（片上系統(tǒng)），F(xiàn)PGA所扮演的角色已經(jīng)不容忽視。

　　第二，F(xiàn)PGA正越來越多地成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心部分。因為FPGA硬件可重新配置且可用性、精密度不斷提高，可以輕易配合系統(tǒng)規(guī)格隨時改變的要求，為用戶帶來充足的靈活性。

　　第三，F(xiàn)PGA是一種高速可編程電子器件，并非“職業(yè)殺手”，其自身的物理特性決定了有些工作容易發(fā)揮其設計優(yōu)勢，而有些則適得其反。

　　在明確了上述三個特征之后，接下來記者將會與讀者一起分享FPGA在網(wǎng)絡安全市場中的故事。同時，我們也非常感謝為本次專題提供芯片技術支持的Xilinx公司，以及我們的合作伙伴：Juniper、神州數(shù)碼網(wǎng)絡、深信服、SonicWall、TippingPoint、WatchGuard。

　　FPGA的靈活魅力

　　在網(wǎng)絡安全產(chǎn)品設計的時候，可以采用多種半導體解決方案，相對來講，目前主要采用的體系架構包括了x86、NP、ASIC、FPGA四種。其中，CPU與NP的聯(lián)系更緊密，而ASIC與FPGA的關系則更相似。

　　不過，若從器件角度分析，傳統(tǒng)上大多廣義地歸結為ASIC和可編程器件兩類。在安全產(chǎn)品中，兩種類別的主要原理與應用并無多大區(qū)別。傳統(tǒng)上認為，ASIC可以為固定功能提供較高性能，但靈活性相對較差。

　　而可編程解決方案可提供較高的系統(tǒng)速率，包括復雜功能（特殊和異常處理）、靈活性。目前在安全產(chǎn)品設計中使用的可編程解決方案主要有兩類：NP和FPGA。NP可提供以處理器為中心（即以軟件為中心）的可編程特性，而FPGA則提供以硬件為中心的可編程特性。

　　Xilinx公司提供的報告指出，NP最初被用于設計網(wǎng)絡設備中的現(xiàn)成器件，這些器件在各方面提供靈活性和擴展性的同時，還提供了充分的性能。大多數(shù)NP均帶有多種經(jīng)過優(yōu)化的嵌入式RISC CPU，以及適用于通用分組處理功能的類ASIC硬件電路。每個RISC引擎經(jīng)過優(yōu)化以執(zhí)行特定任務。

　　相對于NP，F(xiàn)PGA是對數(shù)據(jù)進行高速并行處理的器件，具有更強的靈活性和擴展性。TippingPoint公司技術經(jīng)理李臻表示，在其公司IPS產(chǎn)品中采用的 Virtex-II Pro FPGA芯片，已經(jīng)包含了高性能的可編程架構、嵌入式PowerPC處理器和3.125Gbps收發(fā)器。通過增強網(wǎng)絡特性，F(xiàn)PGA可提供高性能的數(shù)據(jù)和安全控制處理功能。目前，網(wǎng)絡處理內(nèi)核和分組處理參考設計均適合于采用FPGA平臺設計。此外，F(xiàn)PGA還支持所有的通用并行（單端和差動）和串行系統(tǒng)接口標準，以使其輕松地與任何協(xié)議進行接口并與線路卡上的任何器件相連。

　　Xilinx公司的FPGA解決方案專家Anil認為，在網(wǎng)絡安全產(chǎn)品的開發(fā)中，盡管二層和三層處理在ASIC中很容易實現(xiàn)，但為了在類似的傳輸流中區(qū)分不同的優(yōu)先級，還需要在四層和五層中進行更深層的分組處理。而FPGA僅僅需要一塊芯片就可以更深入地處理這些分組，不僅降低了軟件的復雜度，而且降低了功耗（相比于NP或ASIC）。這是因為FPGA中的硬件并行處理完全可以同RISC的處理方法相媲美。

　　另外，在網(wǎng)絡安全產(chǎn)品設計中，升級仍然是關鍵問題之一，而這包括了產(chǎn)品體系結構的軟硬兩個方面?！笆聦嵣希鄬τ贜P開發(fā)中的軟件難以移植問題，無疑增加了設計上的風險。” Anil表示，“FPGA擁有標準化的基于平臺和工具集方法的工具，可以實現(xiàn)軟件在各代FPGA中的無縫移植。而在硬件方面，NP只在處理器中提供可編程特性，其類似ASIC的定制硬件并不能直接進行編程，而FPGA則要輕松許多?！?/p>

　　IPS上的奇葩

　　基于FPGA的特性，在IPS上采用的FPGA技術最具有代表性。TippingPoint的李臻表示，在IPS中FPGA擅長把一些安全特征轉化成邏輯，在實現(xiàn)過程中能夠同時匹配上千條規(guī)則，其并行速度超過普通CPU，而且相對于并行ASIC，其靈活性占有較大優(yōu)勢。畢竟，各種安全攻擊的變化很快，也許今天說的過濾器一個月后就要改寫了。

　　同時，對于IPS這種采用In Line模式的設備，必須保證最小的誤報與漏報率，而基于FPGA實現(xiàn)的移動偏移量檢測，則是必須的手段。因為對攻擊來說，一般都是混合在正常的網(wǎng)絡流量中。換句話說，其在一個IP包里面的位置（偏移量）是不固定的。

　　作為近兩年在安全領域突飛猛進的本土企業(yè)代表，神州數(shù)碼網(wǎng)絡的安全技術經(jīng)理王景輝認為，無論是IDS還是IPS，都需要在流量中不斷尋找可疑特征，以便引起觸發(fā)機制。李臻同時表示，單個可疑特征不一定就是攻擊行為。因此IPS必須抓到大量的可疑特征，然后交給CPU進行驗證，以便判斷是否為攻擊。但在這個過程中，最關鍵的一點就是，這個抓取可疑特征的速度一定要快，否則就會導致漏報。因此如果僅靠CPU做所有的工作，其速度無法保證。而利用FPGA的高速度幫助進行基層篩選，然后交由CPU確認，就可以最大限度地確保設備架構的優(yōu)化。

　　“在整個特征抓取過程中，偏移量可以是不定的，比如內(nèi)容字節(jié)的不定長度。而NP一般只能進行固定偏移量的抓取，比如從IP包頭結束開始56個字節(jié)的地方有特征，然后去查找。但如果需要對整個PayLoad里面1500個字節(jié)都掃描一遍，NP的開銷太大。FPGA利用哈希算法來控制，從PayLoad中取片斷，然后做算法，再到表里面去查?！崩钫檎f。

　　另外，他覺得在IPS中采用FPGA，可以最大程度保護用戶投資。這個投資保護分為兩個方面：第一，F(xiàn)PGA的性能優(yōu)勢具有良好的抗小包攻擊能力。因為對于x86架構來講，基于中斷的CPU處理方式在對抗小包的時候性能損耗太大。其實這個也很好理解，一般安全設備保護的多為服務器，而服務器的CPU往往要比安全設備中用的好，如果服務器都擋不住小包，安全設備又如何防范？為此，用戶往往需要購買單獨的防御DDoS的設備，增加了安全成本。而相對于CPU，F(xiàn)PGA在這方面具備很強的性能優(yōu)勢。

　　第二，F(xiàn)PGA的擴展性較好。在IPS中使用的FPGA往往有一定的預留性，比如一個常見的800萬門的FPGA芯片，一般實際使用僅為200萬門左右。預留的部分就是為了安全設備日后升級所用（甚至可以進行不用重啟的FPGA升級）。雖然使用CPU的安全產(chǎn)品也可以做到低利用率，但其壓力的承受與升級會有挑戰(zhàn)。比如在4G左右吞吐率的情況下，打開500條安全規(guī)則，配置兩顆CPU。如果用戶線路的流量逐年增加，而微軟每月發(fā)布的漏洞也超過5個，其他的系統(tǒng)漏洞也不斷更新，而新的攻擊也會出現(xiàn)，在這個情況下，一般不到一年就會增加到800條規(guī)則。而CPU利用率的預留很難在安全算法不斷變化的情況下界定，同時一旦CPU需要增加或者升級，其往往要帶動軟件設計的升級，以便更好地實現(xiàn)負載均衡或者任務分擔，其復雜度也要超過FPGA。

　　到期的契約？

　　正如本文開頭所講的，F(xiàn)PGA并非職業(yè)殺手，其高速、靈活的特征在IPS上具有殺手級潛力，但在其他的安全領域則未必如此。對于目前發(fā)展如火如荼的UTM 以及高端防火墻市場，體系架構的爭論還是很激烈。

　　WatchGuard亞太區(qū)技術總監(jiān)葉建輝認為，ASIC的發(fā)展速度一定不及通用CPU，用來發(fā)展新一代ASIC的時間，通用CPU可能已經(jīng)經(jīng)歷三至四代。相應的，F(xiàn)PGA的問題也是如此。所以公司決定采取通用CPU作為發(fā)展UTM安全平臺的架構。從目前的情況看，通用CPU對比專用器件在處理一般安全功能方面沒有很大的性能差距，近期更有雙核這類高性價比技術的出現(xiàn)，進一步提升了CPU的性能。

　　雖然FPGA與ASIC相比相對靈活，可以比較靈活地處理IDS/IPS及防病毒所需更新的簽名功能（Signature），但對如今市場對UTM的需求期望，無論是ASIC或FPGA都顯得無法靈活處理。

　　他指出，在安全產(chǎn)品只提供防火墻及VPN功能的時代，ASIC的設計已經(jīng)足夠。雖然ASIC不夠靈活，但它可提供快速處理包過濾這類特定的功能。然后安全產(chǎn)品又加入了IDS/IPS及防病毒等需要快速模式匹配及更新簽名的功能，此時FPGA比較靈活的架構就可派上用場。但如今UTM安全平臺除了以上的功能，還有防垃圾郵件、防間諜軟件及URL/內(nèi)容過濾等只有通用CPU架構才能實現(xiàn)的功能。這些UTM功能不同于防火墻/VPN/IDS/IPS，不是單一特定功能或模式匹配，所以用FPGA不能實現(xiàn)大幅提高性能的目的，而只有在通用CPU架構上同時使用軟件才可實現(xiàn)更高的整體性能。

　　利用CPU架構，WatchGuard的智能分層安全引擎（ILS）在安全操作系統(tǒng)和軟件上整合了多種UTM功能。由于有很多攻擊并不針對某一項安全功能，智能分層安全引擎能在不同安全層面上互相溝通，所以更能有效地捍衛(wèi)受保護的網(wǎng)絡。

　　深信服的技術經(jīng)理葉宜斌認為，x86架構是實現(xiàn)UTM最好的平臺。因為大多數(shù)的網(wǎng)關型產(chǎn)品都采用這種模式。畢竟UTM的發(fā)展趨勢是一個設備中集中越來越多的功能，這個是要求需要很高的擴展性，而內(nèi)容過濾也是目前CPU的強項。但他不排除今后會在中高端UTM產(chǎn)品中加入FPGA芯片。

　　SonicWall北方區(qū)技術經(jīng)理蔡永生認為，由于UTM的環(huán)境影響，很可能多內(nèi)核的安全處理器會更加有優(yōu)勢。因為為安全應用而設計的多內(nèi)核安全處理器比FPGA有更大的靈活性。只要通過軟件升級，安全設備可以不斷地更新以防御最新的安全威脅，而且性能不比FPGA差。在此基礎上，利用一套高性能的DPI（深度包檢測）引擎，實現(xiàn)病毒、入侵和間諜軟件的掃描。

　　另外，蔡永生始終認為，對于大量部署的設備而言，讓客戶升級FPGA是有難度的，而且存在燒寫限制。不過在這一點上，TippingPoint指出其數(shù)字疫苗方式（類似Signature）非常便于用戶下載、升級，且每周一次的疫苗發(fā)布不會突破FPGA的壽命。

　　神州數(shù)碼網(wǎng)絡的王景輝認為，在不同的需求和不同的環(huán)境下，安全廠商會根據(jù)自己的產(chǎn)品定位來選擇相應的技術手段。不過對于不同的技術本身，他覺得也許不存在好與壞的差異。

　　據(jù)悉，在神州數(shù)碼網(wǎng)絡最新推出的UTM產(chǎn)品中，采用的也是x86架構，其核心在于保證性能與多功能的前提下，實現(xiàn)最豐富的應用。他認為對于安全產(chǎn)品，特別是具有內(nèi)容控制的產(chǎn)品，必須提供靈活與使用便利的能力。同時還要為用戶提供優(yōu)秀的性價比。在目前情況下，F(xiàn)PGA的高成本與低功能集成特征無法滿足UTM的需要。

　　同時，他也指出，目前國內(nèi)市場上的UTM產(chǎn)品主要集中在中低端的100M左右產(chǎn)品，在這個吞吐率下，使用x86架構不會帶來瓶頸，相反還可以提供更加靈活的部署方案。而如果今后隨著雙核技術以及CPU技術的進一步發(fā)展，加上對吞吐率要求的提高，不排除會在相關產(chǎn)品中加入FPGA的可能性，但這還是要看市場的發(fā)展。

　　另外，神州數(shù)碼網(wǎng)絡的產(chǎn)品經(jīng)理楊雁群表示，利用x86架構不僅可以獲得高功能集成，而且可以利用軟件確保與周圍設備的聯(lián)動配合。目前神州數(shù)碼網(wǎng)絡打算將UTM產(chǎn)品部署到自己的全網(wǎng)安全解決方案當中，以便獲得最佳的安全性與易用性。

　　作為在眾多安全領域都有涉足的Juniper，其產(chǎn)品線涵蓋了防火墻、VPN、IPS/IDS、UTM等多個領域，而在不同的產(chǎn)品中，CPU、NP、ASIC、FPGA也都有使用。

　　Juniper技術經(jīng)理王衛(wèi)對于不同技術在安全產(chǎn)品中的應用看得十分清楚，他覺得各種技術、體系架構就像一個個名詞，本身沒有優(yōu)劣之分，只有在不同環(huán)境下、不同產(chǎn)品中，采用最適合技術的選擇。

　　比如高端防火墻的吞吐率可以達到30G，而在這個模式下，沒有用戶會去考慮其防病毒的特點，因此用ASIC來實現(xiàn)無疑是合適的。如果用x86架構做，也許滿滿一機箱的CPU也能做到，但是成本、功耗都是大問題。同樣的道理，如果僅僅是一款百兆防火墻，純粹的CPU可以獲得最佳的性價比。

　　但他覺得目前爭論的焦點在于百兆防火墻和千兆防火墻的入口，多種技術會有交叉。因此出現(xiàn)CPU+NP+ASIC的架構就不足以為怪。而FPGA也是同樣的道理，對于千兆以上，萬兆以下的產(chǎn)品，F(xiàn)PGA有可能實現(xiàn)，但前提是成本。其實很多高端產(chǎn)品在設計模擬階段用FPGA，但是固定下來后會燒成ASIC。不過到達萬兆甚至更高，則很難說了。

　　總而言之，他覺得在安全產(chǎn)品中，變化可能性較高的產(chǎn)品用FPGA比較合適，而UTM則基本與FPGA無緣，因為相對來說，這么多年來查病毒就是CPU做的比較好。

　　最后，王衛(wèi)提出了一個非常有意思的觀點：可編程器件的界限會越來越模糊，ASIC已經(jīng)可以編程，NP和FPGA更是加強了這方面的能力，未來可變化的能力各種體系都有，將來任何一種技術手段都可以確保靈活的設計。因此未來在體系結構選擇中，依然會是：在什么環(huán)境下，什么吞吐能力下，選擇最合適的技術。