基于交换芯片的五元组的PCL规则过滤功能

基于交换芯片的五元组的PCL规则过滤功能

作者: 韩大卫@吉林师范大学

2012.12.10

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基于Marvell 98DX51xx/81xx交换芯片的五元组等的策略规则(PCL)过滤功能.现将部分的功能的底层实现予以简单介绍.

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Marvell对PCL概念的定义是:

The Policy engine performs per-flow processing of packets received and  transmitted by the device.A packet can be bound to one or more sets of policy rules, which we call Policy Control Lists (PCL).

PCL:策略控制列表.可以理解为在交换芯片上实现的过滤规则列表.有一种类似的概念叫ACL.

ACL:Access Control List . 访问控制列表 一般来讲,ACL是用户层上下发的规则, 最终通过交换芯片或CPU来实现的,是一种用户层上定义的规则.PCL是底层的概念, 是交换芯片内部对此功能的定义,驱动工程师在操作系统底层软件提取出此交换芯片的PCL过滤功能(比如根据五元组,根据VLAN-ID, 根据是否ARP报文等等),封装成API类库供用户层使用, 用户层就可以综合使用这些API做成一条条过滤规则.

PCL是交换芯片较高级的功能,一般普通的二层/三层交换机的使用的低端交换芯片是没有的此功能的.很多网络安全设备(如防火墙,分流器等)的一部分实现也是基于此机制.

根据Marvell的datasheet, PCL对报文的处理是在L2/L3/L4之前,即

Ingress
Packet     -------------->    PCL     ----->  L2    ------> L3 -------> L4 ...

报文 首先经过IPCL(Ingress PCL) Engine  处理, 根据报文的类型和PCL-ID生成一张IPCL Table , 此表的数据结构大致为:

9bit---0bit  PCL-ID
..
29bit---18bit   VID
..
49bit---42bit  Ip Protocol
..
130bit---99bit  SIP[4]
162bit---131bit  DIP[4]

...

完成此IPCL table后, 拿此表在TCAM中进行查找匹配, 匹配成功的条件是: 首先要PCL-ID相同, 如果规则制定了过滤条件, 那么依次匹配自定义的成员, 例如: 如想过滤出报文中VID为100的,那么只有IPCL table中VID位置为100 的数据结构(即相应的报文)可以被筛选出来, 进而执行TCAM中此表对对应的ACTION.从而完成了一次PCL过滤.

根据以上描述, 可以这样定义一个数据结构用来作为函数参数, 传递用户层的PCL指定规则

以下是PCL动作部分的定义, 关于IPCL Table等部分的制作略.

typedef struct  sw_pcl_action {
BOOL_T                      enable;
uint32_t                        index;      //规则编号
uint16_t                        pclid;      //PCL-ID
pcl_rule_key_t              pcl_key;        //过滤依据
pcl_rule_action_t               pcl_action; //动作描述
}sw_pcl_action_t;

index即为TCAM查表做匹配时要匹配的表的编号.一个index编号为一条PCL规则, 有多少规则就需要执行多少次匹配查找.

其中,
typedef struct pcl_rule_key {
char                        sip[4];         //源ip地址
uint8_t                     smask;          //源ip地址掩码
char                    dip[4];
uint8_t                     dmask;
uint16_t                    sport;              //源端口号
uint16_t                    spmask;         //掩码
uint16_t                    dport;
uint16_t                    dpmask;
uint8_t                 protocol;       //协议号
uint8_t                     tag;
uint16_t                    vid;            //VID
....
}pcl_rule_key_t;

typedef struct  pcl_rule_action {
uint32_t                intf_id;        //出接口
pcl_action_cmd_type         intf_cmd;       //动作类型
InterFace_Type              intf_type;      //接口类型
}pcl_rule_action_t;

//动作类型
typedef enum {
PCL_ACT_FOR = 0,                //默认转发
PCL_ACT_DROP,               //丢弃
PCL_ACT_NOT                 //不做动作
}pcl_action_cmd_type;

//接口类型
typedef enum {
PCL_INTF_PORT = 0,              //默认是端口
PCL_INTF_VLAN,              //VLAN
PCL_INTF_TRUNK,             //trunk
PCL_INTF_DEV,               ...
PCL_INTF_VIDX,
PCL_INTF_INDEX,
....
}InterFace_Type;

常用的过滤有如下:

基于五元组, 即基于源IPv4地址,源端口号,目的IPv4地址,目的端口号,协议号.

基于报文本身是否有tag.

基于报文本身的VLAN-ID.

基于报文是否为ARP报文.

基于报文是否为IP报文.

基于报文是否为IPv4/v6报文.

基于报文是否有分片.

如果使用VID子作为过滤条件, 此VID为进过PVID处理后, 报文此时携带的tag中的VLAN-ID.

将VID装入 pcl_action.pcl_key.vid , 通过msg发送至底层驱动.底层函数解析出此vid,将其赋值给配置寄存器的数据结构.

mask->ruleStdIpv4L4.common.vid                  = 0xffff;
pattern->ruleStdIpv4L4.common.vid               = key_info.vid;

理论上此VLAN-ID可配合掩码使用,实现过滤指定范围内的VLAN-ID. 但此功能目前尚未提供.
可参考后面端口号 + 掩码部分.

基于五元组的过滤可以使用掩码.说明如下:

如果使用基于源IP地址 + 掩码作为过滤条件, 如192.163.10.10/24

需要将192.163.10.10 分成四个uint8_t 类型的数值, 装在 uint8_t key_info.sip[4] 中.

最后, 将此key_info.sip [] 封装到一个数据结构msg中, 通过socket发送到底层驱动,底层函数收到此msg, 解析出key_info.sip [] 的成员, 将4个成员以网络字节序分步填充一个uint32_t类型的成员.

pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip  |= (key_info.sip[0] & 0xff) << 24;
pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip  |= (key_info.sip[1] & 0xff) << 16;
pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip  |= (key_info.sip[2] & 0xff) << 8;
pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip  |= (key_info.sip[3] & 0xff) << 0;

note :
key_info.sip[]承载的是此IP地址, 即192.163.10.10
pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip  就是底层需要填充的uint32_t成员, 配置交换芯片寄存器时,依赖的即此变量与mask部分中对应变量的按bit相与的结果.

同时, 需要将掩码24也传至底层, 填充u32Ip同时配置一个相应的uint32_t mask 的掩码.

mask->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip = ~0<<(32 - key_info.smask);

(如果key_info.smask 为24, 得出结果为: 0xffffff00)

note :
key_info.smask 承载的是此IP地址的掩码, 即24.
mask->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip 是需要配置的掩码, 配置交换芯片寄存器时, 需要将pattern部分与此mask的相应部分按bit相与, 其结果为寄存器真正的有效位.

最后还要:

pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip &= mask->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip;

要保证mask为0 的部分 pattern的也为0 .

例:

如 mask->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip 为 0xffffff00 (mask 为24) ,
pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip 为  0xc0a30a0a( IP为 192.163.10.10)

那么pattern->ruleStdIpv4L4.sip.u32Ip最后需要变为 0xc0a30a00.

使用目的IP地址 + 掩码 作为过滤的判定条件, 如 192.163.10.20/24
则将192.163.20.10 分成四个uint8_t 类型的数值, 装在 uint8_t key_info.dip[4]中, 其他原理同上.

使用源端口号作为过滤判定条件, 如 200 .

需要将此数值 传入uint16_t类型的key_info.sport.  通过msg发送出去, 在底层,

将此值拆成两个uint8_t 数值, 按网络字节序传入 pattern->ruleStdIpv4L4.l4Byte1和 pattern->ruleStdIpv4L4.l4Byte0中. 其对应的掩码使用0xff.
mask->ruleStdIpv4L4.l4Byte1          = 0xff;
pattern->ruleStdIpv4L4.l4Byte1       = (GT_U8)(key_info.sport & 0xff);

mask->ruleStdIpv4L4.l4Byte0           = 0xff;
pattern->ruleStdIpv4L4.l4Byte0        = (GT_U8)(key_info.sport >> 8);
使用协议号作为过滤判定条件, 将数值传入 key_info.protocol,底层驱动中填入mask和pattern的如下部分.

mask->ruleStdIpv4L4.commonStdIp.ipProtocol      = 0xff;

pattern->ruleStdIpv4L4.commonStdIp.ipProtocol   = key_info.protocol;

使用目的端口号作为过滤的判定条件, 将数值传入key_info.dport, 其他原理同上.

************** ************************************

以下部分与驱动无关,可以略过.

***************** *********************************

使用一段范围的源端口号作为过滤的判定条件,  如 80-8080.需要使用一个或多个配合端口号的掩码共同使用.

简单的应用例子:

源端口号64-65535,即大于源端口号大于等于64的范围内作为过滤判定条件.

64 的二进制 为:  0000 0000 0100 0000

那么需要的掩码为: 1111 1111 1100 0000

即0xffc0

令

key_info.sport  = 64;
key_info.spmask = 0xffc0;

在底层:

mask->ruleStdIpv4L4.l4Byte1          = (GT_U8)(key_info.spmask & 0xff);
pattern->ruleStdIpv4L4.l4Byte1       = (GT_U8)(key_info.sport  & 0xff);

mask->ruleStdIpv4L4.l4Byte0           = (GT_U8)(key_info.spmask >> 8);
pattern->ruleStdIpv4L4.l4Byte0        = (GT_U8)(key_info.sport  >> 8);
如果源端口号的二进制中1的bit为多个, 那么需要多个mask来配合使用. 即多个PCL规则配合使用.

如: value = 80

根据特定算法, 可以得出一下几个mask:

80:     0000 0000 0101 0000

mask1:      1111 1111 1000 0000

mask2:      0000 0000 0110 0000

mask3:      0000 0000 0101 0000

note:文档附录中包含此计算掩码数组的函数

pattern1:   1000 0000 0000 0000
pattern1:   0100 0000 0000 0000
pattern1:   0010 0000 0000 0000
pattern1:   0001 0000 0000 0000
pattern1:   0000 1000 0000 0000
pattern1:   0000 0100 0000 0000
pattern1:   0000 0010 0000 0000
pattern1:   0000 0001 0000 0000
pattern1:   0000 0000 1000 0000

pattern2:   0000 0000 0110 0000
pattern3:   0000 0000 0101 0000

note: 如果(x & mask )== pattern  ,那么这是一次成功匹配.

每个mask均有相同的转发规则, 报文依次匹配mask1,mask2,mask3 , 命中任一个mask,说明报文的源端口号大于或等于80.执行PCL的设定的转发动作, 如果都没有匹配成功, 不在次范围内, 不执行次系列的PCL转发规则.

由于通过掩码的方式只能判断出一个数是否在一个值之上,即是否大于或等于一个数,因此,在处理一个范围的上限时, 需要对PCL的动作进行设定, 即, 当判断出一个数大于此范围的最大值时, 需要对其执行丢弃或不执行此系列的PCL转发规则处理.

例: 过滤出源端口号为: 80-8000范围内的报文,执行PCL动作1.

实现此功能分两步:

一, 过滤出源端口号大于或等于80的报文, 命中规则的报文进入第二阶段, 没有命中规则的报文不跳出判断,  不执行PCL动作1,交给下个报文处理机制处理.

二, 过滤出源端口号大于或等于8001的报文,  命中规则的报文执行PCL_ACT_NOT处理.命中规则的报文执行PCL_ACT_FOR处理, 即实现PCL动作1.

Note :  PCL的动作处理类型有三种为 :

PCL_ACT_FOR       转发报文
PCL_ACT_DROP      丢弃报文
PCL_ACT_NOT

默认的类型为 PCL_ACT_FOR. 默认转发.

第一阶段, 根据80-8000 中的下限80得出以下mask数组:

80 :            0000 0000 0101 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
mask2:          0000 0000 0110 0000
mask3:          0000 0000 0101 0000

pattern1-2:     0100 0000 0000 0000
pattern1-3:     0010 0000 0000 0000
pattern1-4:     0001 0000 0000 0000
pattern1-5:     0000 1000 0000 0000
pattern1-6:     0000 0100 0000 0000
pattern1-7:     0000 0010 0000 0000
pattern1-8:     0000 0001 0000 0000
pattern1-9:     0000 0000 1000 0000

pattern2:       0000 0000 0110 0000
pattern3:       0000 0000 0101 0000
note: 如果(x & mask )== pattern  ,那么这是一次成功匹配.

每个mask被分别制定为相应的PCL规则 ,其对报文的处理类型是 PCL_ACT_FOR

报文依次配置mask1,mask2,mask3,如命中任意一个mask, 那么进入第二阶段进行范围上限的过滤, 其他情况的报文不再执行本系列PCL的过滤.

第二阶段 , 由于本算法作用是过滤出大于或等于一个数的范围,那么对于80-8000的上线8000,需要定义一个uint16_t mask_ceiling = 8001. 按此值得出mask数组:

8001 :          0001 1111 0100 0001

mask1:          1110 0000 0000 0000
mask2:          0001 0000 0000 0000
mask3:          0000 1000 0000 0000
mask4:          0000 0100 0000 0000
mask5:          0000 0010 0000 0000
mask6:          0000 0001 1000 0000
mask7:          0000 0000 0100 0000
mask8:          0000 0000 0011 1110
mask9:          0000 0000 0000 0001

pattern1-1:     1000 0000 0000 0000
pattern1-2:     0100 0000 0000 0000
pattern1-3:     0010 0000 0000 0000
pattern2:       0001 0000 0000 0000
pattern3:       0000 1000 0000 0000
pattern4:       0000 0100 0000 0000
pattern5:       0000 0010 0000 0000
pattern6-1:     0000 0001 0000 0000
pattern6-2:     0000 0000 1000 0000
pattern7:       0000 0000 0100 0000
pattern8-1:     0000 0000 0010 0000
pattern8-2:     0000 0000 0001 0000
pattern8-3:     0000 0000 0000 1000
pattern8-4:     0000 0000 0000 0100
pattern8-5:     0000 0000 0000 0010
pattern9:       0000 0000 0000 0001

如果报文命中了任一一个mask, 说明报文的源端口号大于或等于8001, 即,不在80-8000 范围之内,则将报文执行PCL_ACT_NOT处理.

这样, 源端口号在80-8000范围内的报文执行PCL_ACT_FOR处理, 不在此范围内的报文执行PCL_ACT_NOT处理,即不经过次系列PCL处理.

根据交换芯片datasheet.  TCAM 的匹配查找可以分为两次, IPCL0 Lookup 和IPCL1 Lookup

那么, 将IPCL0 Lookup阶段的匹配动作设定为 PCL_ACT_FOR, IPCL1 Lookup 阶段的匹配动作设PCL_ACT_NOT, 即可实现如下处理流程:

Packet ----> IPCL0 Lookup             NO
|           ----->       PCL_ACT_NOT
Y   |
E   |
S   |
|
↓
IPCL1 Lookup      NO
|           ----->       IPCL0 ACTION
Y   |
E   |
S   |
|
↓
PCL_ACT_NOT

第一阶段,  过滤出源端口号大于或等于80的报文, 命中规则的报文带着PCL_ACT_FOR的动作命令进入第二阶段再次进行过滤.

第二阶段,  过滤出源端口号大于或等于8001的报文, 命中规则的报文执行 PCL_ACT_NOT,取消PCL规则转发, 没有命中IPCL1阶段的报文, 即小于8001的报文,执行IPCL0阶段的动作.实现转发到指定接口或VLAN.

总上, 完成此功能需要的PCL规则共有如下:

IPCL0 :

mask1:          1111 1111 1000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-2:     0100 0000 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-3:     0010 0000 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-4:     0001 0000 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-5:     0000 1000 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-6:     0000 0100 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-7:     0000 0010 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-8:     0000 0001 0000 0000

mask1:          1111 1111 1000 0000
pattern1-9:     0000 0000 1000 0000

mask2:          0000 0000 0110 0000
pattern2:       0000 0000 0110 0000

mask3:          0000 0000 0101 0000
pattern3:       0000 0000 0101 0000

IPCL1:

mask1:          1110 0000 0000 0000
pattern1-1:     1000 0000 0000 0000

mask1:          1110 0000 0000 0000
pattern1-2:     0100 0000 0000 0000

mask1:          1110 0000 0000 0000
pattern1-3:     0010 0000 0000 0000

mask2:          0001 0000 0000 0000
pattern2:       0001 0000 0000 0000

mask3:          0000 1000 0000 0000
pattern3:       0000 1000 0000 0000

mask4:          0000 0100 0000 0000
pattern4:       0000 0100 0000 0000

mask5:          0000 0010 0000 0000
pattern5:       0000 0010 0000 0000

mask6:          0000 0001 1000 0000
pattern6-1:     0000 0001 0000 0000
mask6:          0000 0001 1000 0000
pattern6-2:     0000 0000 1000 0000

mask7:          0000 0000 0100 0000
pattern7:       0000 0000 0100 0000

mask8:          0000 0000 0011 1110
pattern8-1:     0000 0000 0010 0000

mask8:          0000 0000 0011 1110
pattern8-2:     0000 0000 0001 0000

mask8:          0000 0000 0011 1110
pattern8-3:     0000 0000 0000 1000

mask8:          0000 0000 0011 1110
pattern8-4:     0000 0000 0000 0100

mask8:          0000 0000 0011 1110
pattern8-5:     0000 0000 0000 0010

mask9:          0000 0000 0000 0001
pattern9:       0000 0000 0000 0001

详细列表如下:

(0) mask1 + pattern1-1 + (1) mask1 + pattern1-1
(0) mask1 + pattern1-2 + (1) mask1 + pattern1-1
(0) mask1 + pattern1-3 + (1) mask1 + pattern1-1
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(0) mask3 + pattern3 + (1) mask8 + pattern8-1
(0) mask3 + pattern3 + (1) mask8 + pattern8-2
(0) mask3 + pattern3 + (1) mask8 + pattern8-3
(0) mask3 + pattern3 + (1) mask8 + pattern8-4
(0) mask3 + pattern3 + (1) mask8 + pattern8-5
(0) mask3 + pattern3 + (1) mask9 + pattern9

鉴于此部分在软件上做起来比较麻烦, 同时,考虑到为实现一个功能而一次下发100多条规则的效率问题, 所以这类功能可以交给CPU来做,用户层判断出此需求后, 将报文全部交给CPU,后者解析出报文后, if(sport >= 80 && sport <=8000)即可作出判断, 相比起来将更为可取.