采用FPGA器件APEX20K1500E芯片实现TCAM的设计

一、前言

网际协议（Internet Protocol） 是互联网进行网际互连的基础。随着互联网服务的快速发展，对网络的安全性提出了更高的要求，如何快速有效的过滤网络中的IP数据报文是一个始终需要解决的问题。

过滤IP数据报文是为了防止未授权用户访问内部网资源，同时限制网内用户非法使用外部服务。进行过滤之后，局域网内用户只能使用特定的服务（例如e-mail），网外的用户也只能访问经过授权的网内资源。由于网络带宽的飞速增长，传统的基于软件的查找算法已经不能适应网络速度的飞速发展，迫切需要采用新的硬件过滤方法，方案之一就是采用内容可寻址存储器TCAM（Ternary Content Addressable Memory）。

TCAM利用三个数值存储数据‘0’ 、‘1’ 、‘X’（不关心），每一个表项都包含数值比特串和掩码比特串。TCAM能够在一个硬件时钟周期内完成关键字的精确匹配查找，只需要输入关键字的内容，TCAM就会将此关键字与CAM中所有的表项同时进行匹配比较，最后返回匹配表项在TCAM中所对应的地址，如果存在多个匹配表项则返回地址最低的表项。目前主流的IDS（Intrusion Detection Systems），例如Snort，可以编写相应规则来完成实时协议分析、内容查找／匹配、对网络上的IP包登录进行测试等功能。我们可以把类似于Snort的规则应用到TCAM中，通过制定符合特定规则的表项，来实现IP数据报的匹配。当数据报在TCAM中能够找到相应的匹配项时，我们即认为它是合法的，否则予以拦截并送入后台作为异常报文处理。

为了实现快速查找，设计者必须在PCB板上添加一个独立的TCAM器件，这会增加片间延时，同时减少PCB板上的可用空间，从而降低电路板的系统性能。因此我们采用FPGA来实现TCAM，FPGA芯片采用ALTERA公司的APEX20K1500E。

二、用FPGA实现TCAM

APEX20KE系列芯片采用嵌入式系统模块（Embedded System Blocks）实现了片内CAM，能够提供比传统CAM器件更高的系统性能，同时支持Ternary CAM。其中，每个ESB能够实现32×32的CAM模块，级联多个ESB可以实现更宽更深的CAM。

ALTERA公司的Megafunction库提供了altcam Megafunction，运用Quartus软件设计工具可以十分方便对TCAM进行读写操作。图1为altcam的结构图。

CAM可以在初始化配置时预加载默认表项，也可以在系统运行时对表项进行实时更新。在大多数情况下，写入一个数据表项需要两个时钟周期，当写入“X”（不关心）比特位时，需要三个时钟周期。

Altera CAM有三种不同的读模式：单匹配模式、多匹配模式和快速多匹配模式，其中单匹配模式适用于CAM里没有多个匹配项的情况。无论工作在哪种模式下，ESB都会输出匹配数据项的编码地址或未编码地址。当用未编码地址输出时，每条信号线对应CAM模块里的一个表项，当输出信号线为高时，表明对应的表项和输入数据匹配（例如，假如地址为15的表项数据匹配，则mbit［14］输出高电平）。通常情况下，在一个时钟周期内每个ESB最多完成16个表项的比对，因此在多匹配模式下，需要两个时钟周期才能完成CAM模块里所有表项的比

对。而快速多匹配模式仅使用每个ESB的一半空间（即16个表项），因此一个时钟周期就可以输出匹配表项的地址，大大提高了查找速度，但同时也耗费了大量的存储空间，限制了CAM

的总容量。图4展示了多匹配模式下的功能仿真波形图。

三、制定CAM表项规则

考虑到报头里包含了报文的地址和控制信息，我们可以从报头中提取某些域的值作为TCAM的匹配关键字。图5给出了CAM表项的一种配置方案。由于规则的不同，大多数的表项都

存储了大量的“X”（不关心）比特位，这是因为：

◆ 并不是IP数据报中所有对应域都需要同表项进行匹配。比如要拦截特定主机的IP包时，仅仅匹配源IP地址就足够了。

◆ 有时IP地址并不是指定一个特定的主机，而是代表一个网络或者一个包含多台主机的子网，这意味着表项的某些比特位必须是“X”（不关心）。

在CAM中能够找到相应的匹配项时，输入数据报可以顺利通过，否则予以拦截并作为非法报文处理。由于只需判断CAM里是否有匹配表项，而不关心具体表项的地址，因此存在多个匹配表项并不会影响比对的结果。在图5中，由于在CAM里找不到匹配表项，源地址为192.168.1.10的主机不能进行Telnet（23）服务。

虽然Snort给出了超过1400条配置规则，但通常并不需要同时应用所有的规则。Y. H. Cho提出了一种包含105条规则的IDS［3］，因此大小为128×128的CAM足以满足绝大多数的需要。另外为了有效地进行比对，路由器输入端送来的报文要暂存在SRAM当中，管理这些报文需要对报文进行有效的地址分配，以便对报文进行相应处理。

四、动态管理FPGA

为便于管理和动态更新，FPGA不仅要肩负对输入报文进行分类、过滤、提取关键字、进行高速查找等工作，还必须制定专门的通信模块负责与主控单元（实际采用MPC860）进行通信。通信模块起到对下进行数据接收，对上进行状态报告的桥梁作用，是主控单元同FPGA进行通信的接口，主要实现以下功能：

1、 监控系统的硬软复位信号，从而对整个系统进行复位。

2、 向主控单元发送状态报告。主要由主控单元请求获得，从而能够实时监控系统各模块的工作状态。

3、 将FPGA系统划分为正常工作模式和测试模式。FPGA存在两种工作模式，一种是正常工作模式，另一种是测试模式；在正常工作模式情况下，系统正常接收网络中的数据报文；测试模式条件下，系统处于测试状态，可以将内部测试信号送出以达到快速调试的目的。

4、 向主控单元提供错误报告。系统内部对一些关键部分设定监控程序，一旦有问题出现将迅速将错误信息传送给主控单元，从而方便对故障的检测。

5、 将主控单元的命令信息转发给相应模块，实现FPGA的动态更新。这样可以根据实际需要动态更新TCAM的表项，改变IP报文过滤规则。

五、总结

采用基于FPGA的CAM进行IP数据报文过滤是一种理想的选择。由于关键性的功能（搜索CAM）和一些非关键性的功能（改变CAM内容）分别在硬件和软件中实现，因此该设计具有高度灵活性，同时比纯软件过滤有更快的处理速度，在实际中可达到800Mbit/s.

表项宽度可变的CAM能够很好的应用Snort规则进行字符串匹配，同时可通过软件进行动态更新。此外，CAM模块大约只耗费了FPGA一半的存储资源，可以根据需要在FPGA内整合相关功能逻辑电路扩充电路功能。

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