KR101553399B1 - 패킷 파싱 프로세서와 시스템 및 그 방법 - Google Patents

패킷 파싱 프로세서와 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

패킷 파싱 프로세서와 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱 프로세서는 패킷 파싱을 위해 소프트웨어 기반으로 생성된 코드를 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 패킷 버퍼를 통해 입력되는 패킷을 파싱하는 하드웨어 기반의 적어도 하나의 패킷 파싱 엔진을 포함한다.

Description

패킷 파싱 프로세서와 시스템 및 그 방법 {Packet parsing processor, system and method thereof}
본 발명은 패킷 처리기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패킷을 분석하여 분류하는 패킷 파싱 기술에 관한 것이다.
네트워크를 통한 침입 등에 대응하기 위해서 데이터를 분석하기 위한 다양한 시스템들이 개발되고 있다. 그러나, 기가비트 이더넷 환경과 같은 네트워크의 고속화 및 이를 바탕으로 한 대용량 데이터의 송수신은 기존의 저속 보안 분석기법에 대해 변화를 요구하고 있다.
즉, 갈수록 고속화되고 대용량화하는 네트워크 환경과 보다 다양해지는 침입 시도 등에 적절히 대응하기 위해서는, 보다 신속한 시간 내에 많은 데이터를 분석할 수 있는 기법이 요구된다.
일반적으로 컴퓨터에서 소프트웨어 기반으로 패킷을 파싱할 수 있다. 이 경우, 분석규칙 변경 시 쉽게 적용 가능할 수 있으나, 파싱 처리 속도가 늦어지는 문제가 있다. 근래 기업과 기관은 대부분 수 Gbps 급으로 인터넷 망을 구축하여 사용하고 있는데, 이 경우 그 처리속도는 더 늦어지게 된다.
일 실시 예에 따라, 하드웨어 기반의 패킷 파싱 프로세서를 통해 고속으로 대용량의 패킷 파싱이 가능하며, 패킷 파싱을 위해 필요한 코드는 소프트웨어 기반으로 생성하고 패킷 파싱 프로세서가 이를 이용함에 따라 분석규칙 변경에 유연하게 대처할 수 있는 패킷 파싱 프로세서와 시스템 및 그 방법을 제안한다.
일 실시 예에 따른 패킷 파싱 프로세서는, 패킷이 입력되어 저장되는 패킷 버퍼와, 패킷 파싱을 위해 소프트웨어 기반으로 생성된 코드를 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 패킷 버퍼를 통해 입력되는 패킷을 파싱하는 하드웨어 기반의 적어도 하나의 패킷 파싱 엔진을 포함한다.
다른 실시 예에 따른 패킷 파싱 시스템은, 패킷 파싱을 위해 필요한 코드를 생성하여 제공하는 소프트웨어 기반의 코드 제공부와, 코드 제공부에서 제공하는 코드를 저장하는 메모리와, 메모리로부터 코드를 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 입력 패킷을 파싱하는 하드웨어 기반의 적어도 하나의 패킷 파싱 엔진을 포함한다.
또 다른 실시 예에 따른 하드웨어 기반의 패킷 파싱 엔진의 패킷 파싱 방법은, 패킷 버퍼에 패킷이 있는지 검사하여 패킷이 있으면 해당 패킷을 파싱하기 위해 소프트웨어 기반으로 생성된 코드를 메모리로부터 읽어들이는 단계와, 읽어들인 코드를 디코딩하는 단계와, 디코딩된 코드를 실행하여 입력 패킷을 파싱하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 패킷 분석을 위해서 하드웨어적인 장점과 소프트웨어적인 장점을 모두 활용하여 하드웨어의 장점인 고속 처리와 소프트웨어의 장점인 분석규칙 변경에 따른 유연함을 모두 갖을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱 시스템을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 패킷 파싱 프로세서의 세부 구성도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 패킷 파싱 엔진의 세부 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱을 위해 필요한 명령어를 도시한 참조도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱에 의한 패킷을 분류하기 위해 사용되는 명령어의 예를 도시한 참조도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱 엔진의 패킷 파싱 방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 패킷 파싱 시스템은 소프트웨어 기반의 코드 제공부(1)와 하드웨어 기반의 패킷 파싱 프로세서(Packet Parsing Processor: PPP)(2)를 포함한다. 코드 제공부(1)는 코드 생성기(Code generator)(10), 코드 선 컴파일러(Code Pre-compiler)(12) 및 컴파일러(Compiler)(14)를 포함하며, 패킷 파싱 프로세서(2)는 패킷 파싱 엔진(Packet Parsing Engine: PPE)(20)을 포함한다.
코드 제공부(1)는 패킷 파싱 엔진(20)의 패킷 파싱을 위해 필요한 코드를 소프트웨어 기반으로 생성하여 제공한다. 생성된 코드는 메모리에 저장될 수 있다. 패킷 파싱 엔진(20)은 코드를 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 입력 패킷의 헤더(header)를 파싱하여 어떤 패킷인지를 알아내고 패킷을 분류한다.
일 실시 예에 따른 코드 제공부(1)는 소프트웨어적으로 쉽게 코드를 변경할 수 있다. 즉, 코드가 고정된 분석규칙을 갖는 것이 아니라 쉽게 변경 가능한 분석규칙을 갖을 수 있다. 이 경우, 코드 제공부(1)는 패킷 파싱 엔진(20)의 유연한 패킷 파싱을 위해서, 변경된 코드를 패킷 파싱 엔진(20)에 제공한다. 일 실시 예에 따른 패킷 파싱 엔진(20)은 변경된 코드를 읽어들임에 따라, 패킷 파싱 엔진(20)의 구성은 변경하지 않고 그대로 둔 채 변경된 코드를 이용하여 패킷을 파싱할 수 있다. 따라서, 코드를 소프트웨어적으로 변경하여 업데이트하고, 패킷 파싱 엔진(20)은 업데이트된 코드를 읽어들이기만 하면 그에 맞는 패킷 파싱을 고속 및 대량으로 수행할 수 있게 된다.
세부적으로, 코드 제공부(1)의 코드 생성기(10)는 패킷 파싱 엔진(20)의 패킷 파싱을 위한 코드를 생성한다. 코드 선 컴파일러(12)는 코드 생성기(10)에 의해 생성된 코드를 패킷 파싱 프로세서(2)가 사용 가능한 환경에 맞추어 변경한다. 즉, 패킷 파싱 프로세서(2)의 패킷 버퍼, 레지스터 등의 하드웨어 리소스 제약에 따라 코드 구성을 변경한다. 컴파일러(14)는 코드 선 컴파일러(12)에 의해 변경된 코드를 명령코드(op-code)와 오퍼랜드(operand)로 조합된 명령어로 변환한다. 변환된 명령어는 메모리에 저장될 수 있는데, 패킷 파싱 엔진(20)은 메모리에 저장된 명령어를 이용하여 입력 패킷을 분석할 수 있다. 명령어는 예를 들어 패킷 분석을 위해 필요한 산술 연산, 논리 연산, 이송, 건너뛰기, 입출력 등에 대한 명령 등을 포함한다.
패킷 파싱 프로세서(2)는 패킷 파싱을 위한 전용 프로세서로서, FPGA(field-programmable gate array) 등으로 구현될 수 있다. 소프트웨어적인 패킷 파싱 방식이 CPU가 메모리를 이용하여 수행됨에 비하여, 본 발명에 따른 패킷 파싱 방식은 FPGA와 같은 전용 프로세서인 패킷 파싱 프로세서(2)에서 수행됨에 따라 고속의 패킷 처리가 가능하다.
전술한 바에 의하면, 패킷 분석을 위해서 하드웨어적인 장점과 소프트웨어적인 장점을 모두 활용하여 하드웨어의 장점인 고속 처리와 소프트웨어의 장점인 분석규칙 변경에 따른 유연함을 모두 갖을 수 있다. 즉, 패킷 파싱 엔진(20)은 하드웨어 방식으로 패킷을 파싱함에 따라 소프트웨어 방식에 비해 빠른 처리 속도를 가질 수 있다. 나아가, 코드 제공부(1)를 통해 소프트웨어적으로 쉽게 코드를 변경할 수 있음에 따라, 패킷 파싱 엔진(20)이 변경된 코드를 읽어들여 패킷 파싱을 수행하여 하드웨어의 유연성 결여에 대한 단점을 보완할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 패킷 파싱 프로세서(2)의 세부 구성도이다.
도 2를 참조하면, 패킷 파싱 프로세서(2)는 패킷 파싱 엔진(20), 패킷 버퍼(22) 및 제어 레지스터(24)를 포함한다.
패킷 버퍼(22)에는 입력 패킷이 임시적으로 저장된다. 패킷 파싱 엔진(20)은 패킷 파싱을 위해 필요한 코드를 메모리로부터 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 패킷 버퍼(22)를 통해 입력되는 패킷을 파싱한다.
패킷 파싱 엔진(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 다수 개가 그룹(group) 형태로 구성될 수 있다. 그룹 내의 각 패킷 파싱 엔진(20-1,20-2,…,20-n)은 블록 메모리 내 명령어와 제어 레지스터 파일(24)을 공유할 수 있다. 각 패킷 파싱 엔진(20-1,20-2,…,20-n)은 각각 대상이 되는 패킷 버퍼(22)의 입력 패킷을 대상으로 동시에 병렬 처리하여 처리 속도를 향상시킬 수 있다.
패킷 파싱 엔진(20)은 패킷 버퍼(22)로부터 입력되는 패킷을 파싱하기 위해 메모리에서 파싱 코드를 읽어 들인다. 파싱 코드는 도 1의 코드 제공부(1)에서 생성된다. 패킷 파싱 엔진(20)은 읽어들인 파싱 코드를 보고 패킷을 파싱하여 해당 패킷이 어떤 패킷인지를 알아낸다. 예를 들어, 해당 패킷이 VLAN-IPV6-TCP 패킷인지 여부를 알아낼 수 있다.
패킷 파싱 엔진(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 레지스터들(registers)과 의사 RISC(Pseudo reduced instruction set computer) 등으로 구성될 수 있다. RISC는 명령어를 최소로 줄여 단순하게 만들어 분석 속도가 빠르고 여러 개의 명령어를 처리하기에 적합하다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 패킷 파싱 엔진(20)의 세부 구성도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 패킷 파싱 엔진(20)은 패치부(Instruction Fetch Unit)(210), 디코딩부(Instruction Decoding Unit)(220), 실행부(Execute Unit)(230), 메모리 액세스부(Memory Access Unit)(240) 및 라이트 백부(Write Back Unit)(250)의 다섯 개의 스테이지(stage)로 이루어진 파이프라인(pipeline)으로 구성된다.
패치부(210)는 패킷 버퍼(22)에 패킷이 있는지 검사하여 패킷이 있으면 해당 패킷을 파싱하기 위해 메모리, 예를 들어 도 3b의 파싱 맵(26)으로부터 명령어를 읽어들인다. 메모리에 저장된 명령어는 소프트웨어적으로 쉽게 변경 가능하며, 명령어가 변경된 경우 패킷 파싱 엔진(20)의 구성은 그대로 두되, 변경된 명령어만을 읽어들일 수 있다.
디코딩부(220)는 패치부(210)에서 읽어들인 명령어의 명령코드(OP-code)를 디코딩한다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이 파싱 맵(26) 내 OP-code, 레지스터 파일, Constant, POS address(다음 수행으로 Jump시 사용) 등으로 디코딩할 수 있다. 이때, 동시에 다음 명령어가 패치부(210)를 통해 읽혀진다. 전술한 구조는 여러 프로세스 별로 라인이 나열되어 있어 동시에 프로세스 별로 프로세싱이 가능한 파이프라인 구조이다.
실행부(230)는 디코딩부(220)에서 디코딩된 OP-code를 실행하여 입력 패킷을 파싱한다. 패킷 파싱 엔진(20)이 지원하는 OP-code는 ADD, AND, OR, SHIFT 등일 수 있다. 실행부(230)는 도 3b에 도시된 바와 같이 ALU(Arithmetic Logic Unit)(28)를 통한 산술 연산, 논리 연산, 이송, 건너뛰기, 입출력 등을 수행할 수 있다. 메모리 액세스부(240)는 실행부(230)의 실행 결과를 패킷 버퍼(22)에 저장(SAVE)하거나 패킷 버퍼(22)의 내용을 읽어들인다(LOAD). 라이트 백부(250)는 실행부(230)의 실행 결과를 레지스터 파일(4)에 기록(write)한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱을 위해 필요한 명령어를 도시한 참조도이다.
도 4를 참조하면, 소프트웨어 방식으로 생성되는 명령어는 명령코드(OP-code)와 오퍼랜드(operand) 및 파라미터(parameter)를 포함한다. 명령코드(OP-code)는 연산 종류를 나타내기 위한 코드이고, 오퍼랜드(operand)는 명령어의 연산의 대상이 되는 데이터이거나, 데이터의 어드레스를 지정하는 부분이다. 도 4에서는 명령어의 일 예를 도시한 것일 뿐 이에 한정되지는 않는다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱에 의한 패킷을 분류하기 위해 사용되는 명령어의 예를 도시한 참조도이다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 입력 패킷이 VLAN-IPV6-TCP 패킷인지 여부를 알아내기 위해, VLAN 패킷인지를 알아내는 과정, VLAN-IPV6 패킷인지를 알아내는 과정, VLAN-IPV6-TCP 패킷인지를 알아내는 과정이 단계적으로 수행된다.
세부적으로, 도 5a의 “adjustEndianParser”는 패킷 버퍼에서 일정 부분의 데이터를 읽어 들이는 명령어이다. 이때, “if(rBuf.w1 == VLAN_PACKET)”는 “adjustEndianParser” 명령어를 통해 읽어 들인 데이터를 토대로 해당 패킷이 VLAN 패킷인지 확인하는 부분이고, "if(rBuf.w1 == IPV6_PACKET)"은 “adjustEndianParser” 명령어를 통해 읽어 들인 데이터를 토대로 해당 패킷이 ipv6 패킷인지 확인하는 부분이고, "if(rBuf.w1 == IPV4_PACKET)"는 “adjustEndianParser” 명령어를 통해 읽어 들인 데이터를 토대로 해당 패킷이 ipv4 패킷인지 확인하는 부분이다. 한편, if(rBuf.w7 == IPV6_PACKET)는 “if(rBuf.w1 == VLAN_PACKET)”를 통해 입력 패킷이 VLAN 패킷으로 확인된 경우, 해당 패킷이 VLAN_ipv6 패킷인지를 확인하는 부분이다.
도 5b 및 도 5c는 도 5a의 “if(rBuf.w7 == IPV6_PACKET)”를 통해 입력 패킷이 VLAN_ipv6 패킷으로 확인된 경우, 추가로 입력 패킷이 VLAN-IPV6_TCP 패킷인지를 알아내는 과정이다. 세부적으로, 도 5c의 “adjustEndianParser” 명령어를 통해 읽어 들인 데이터를 토대로 if(ip_protocol == IPV6_TCP_SERVICE)는 해당 패킷의 통신 프로토콜이 IPV6_TCP인지를 확인하는 부분이고, if(ip_protocol == IPV6_UDP_SERVICE)는 해당 패킷의 통신 프로토콜이 IPV6_UDP인지를 확인하는 부분이며, if(ip_protocol == IPV6_ICMP_SERVICE)는 해당 패킷의 통신 프로토콜이 IPV6_ICMP인지를 확인하는 부분이다.
한편, 도 5a 내지 도 5d의 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시 예일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 패킷 파싱 엔진의 패킷 파싱 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3a, 도 3b 및 도 6을 참조하면, 하드웨어 기반의 패킷 파싱 엔진(20)은 패킷 버퍼에 패킷이 있는지 검사하여 패킷이 있으면 해당 패킷을 파싱하기 위해 소프트웨어 기반으로 생성된 코드를 메모리로부터 읽어들인다(600). 메모리에 저장된 명령어 코드는 소프트웨어적으로 쉽게 변경 가능하며, 명령어 코드가 변경된 경우, 패킷 파싱 엔진의 구성은 그대로 두되, 패킷 파싱을 수행하기 위해 변경된 명령어 코드만을 읽어들일 수 있다.
이어서, 패킷 파싱 엔진(20)은 읽어들인 코드를 디코딩(610)하고, 디코딩된 코드를 실행하여 입력 패킷을 파싱한다(620). 패킷 파싱 엔진(20)이 지원하는 OP-code는 ADD, AND, OR, SHIFT 등일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이때, 패킷 파싱 엔진(20)은 산술 연산, 논리 연산, 이송, 건너뛰기, 입출력 등을 수행할 수 있다.
나아가, 패킷 파싱 엔진(20)은 실행 결과를 패킷 버퍼(22)에 저장(SAVE)하거나 패킷 버퍼(22)의 내용을 읽어들일 수 있다(LOAD). 나아가, 실행 결과를 레지스터 파일(24)에 기록할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 코드 제공부 2: 패킷 파싱 프로세서
10: 코드 생성기 12: 코드 선 컴파일러
14: 컴파일러 20: 패킷 파싱 엔진
210: 패치부 220: 디코딩부
230: 실행부 240: 메모리 액세스부
250: 라이트 백부

Claims (10)

  1. 패킷이 입력되어 저장되는 패킷 버퍼; 및
    패킷 파싱을 위해 소프트웨어 기반으로 생성된 코드를 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 상기 패킷 버퍼를 통해 입력되는 패킷을 파싱하는 하드웨어 기반의 적어도 하나의 패킷 파싱 엔진;
    을 포함하며,
    각 패킷 파싱 엔진은,
    패킷 버퍼에 패킷이 있는지 검사하여 패킷이 있으면 명령어를 읽어들이는 패치부;
    읽어들인 명령어의 명령코드를 디코딩하는 디코딩부; 및
    디코딩된 명령코드를 실행하여 입력 패킷을 파싱하는 실행부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 하드웨어 기반의 패킷 파싱 프로세서.
  2. 제 1 항에 있어서, 각 패킷 파싱 엔진은,
    패킷 파싱을 위한 코드가 변경되면 상기 변경된 코드를 읽어들여 입력 패킷을 파싱하는 것을 특징으로 하는 패킷 파싱 프로세서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 각 패킷 파싱 엔진은,
    실행 결과를 패킷 버퍼에 저장하거나 패킷 버퍼의 내용을 읽어들이는 메모리 액세스부; 및
    실행 결과를 레지스터 파일에 기록하는 라이트 백부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패킷 파싱 프로세서.
  5. 제 4 항에 있어서, 각 패킷 파싱 엔진은,
    각 패킷 파싱 엔진을 구성하는 구성요소 별로 라인이 나열되어 병렬로 동시에 처리하는 파이프라인 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 패킷 파싱 프로세서.
  6. 제 1 항에 있어서, 각 패킷 파싱 엔진은,
    FPGA 형태인 것을 특징으로 하는 패킷 파싱 프로세서.
  7. 제 1 항에 있어서, 각 패킷 파싱 엔진은,
    대상이 되는 각 입력 패킷을 대상으로 동시에 병렬 처리하는 것을 특징으로 하는 패킷 파싱 프로세서.
  8. 패킷 파싱을 위해 필요한 코드를 생성하여 제공하는 소프트웨어 기반의 코드 제공부;
    상기 코드 제공부에서 제공하는 코드를 저장하는 메모리; 및
    상기 메모리로부터 코드를 읽어들이고, 읽어들인 코드를 이용하여 입력 패킷을 파싱하는 하드웨어 기반의 적어도 하나의 패킷 파싱 엔진;
    을 포함하며,
    상기 코드 제공부는,
    패킷 파싱을 위한 코드를 생성하는 코드 생성기;
    상기 코드 생성기에 의해 생성된 코드를 각 패킷 파싱 엔진이 사용 가능한 환경에 맞추어 변경하는 코드 선 컴파일러; 및
    상기 코드 선 컴파일러에 의해 변경된 코드를 명령코드와 오퍼랜드로 조합된 명령어로 변환하는 컴파일러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패킷 파싱 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20100322266A1 (en) 2008-02-28 2010-12-23 Thomson Licensing Hardware-based parser for packet-oriented protocols

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