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PF_RING研究及其在网络流高速采集中的应用

作　者: 刘青
导　师: 王锋；邓辉
学　校: 昆明理工大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 网络流采集零拷贝 PF_RING NAPI
分类号: TP393.06
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

网络流(Network stream)采集是指采集数据链路层的协议数据单元(PDU),涉及到底层网卡(NIC)的基本状态编程、中断处理、轮询处理以及直接存储器存取(DMA)等一系列技术。传统的网络流采集存在效率低,CPU开销大等一系列问题,主要原因是数据包经由网卡到达用户应用程序的过程中存在着多次冗余的数据拷贝。另外,在高速网络环境中,特别是在大流量小包的网络环境中,网卡频繁中断使得系统陷入中断活锁状态,造成大量丢包。为了适应高速网络的发展以及全线速网络数据采集的要求,零拷贝、设备轮询等新思想或技术被提出并实现,取得了较好的结果。近年来,Luca Deri基于零拷贝的思想提出了一种新的解决方案：PF_RING机制。PF_RING机制提供了一种与网卡驱动无关的提高网络数据流采集性能的方法。Linux下的设备轮询机制是以NAPI的方式实现的,NAPI是Linux系统采用的一种提高网络处理效率的技术。它的核心概念是不采用中断的方式读取数据,而代之以POLL的方法来轮询数据。由于诸多优点,PF_RING逐渐成为当前高速网络流采集的主要技术。论文深入分析了PF_RING原理与实现,对当前PF_RING开发中具有的优、缺点进行了详细的分析,在此基础上,实现了一套快速开发的统一开发接口,解决了PF_RING开发困难等问题,并成功地应用于千兆位入侵检测系统的一系列研究中,成功提高了整体系统性能,取得了较好的成果。论文的主要内容包括：(1)深入分析PF_RING实现,包括：PF_RING套接字体系结构,Linux内核中socket的实现,PF_RING核心数据结构和关键函数,PF_RING应用开发中的用户接口libpfring和libpcap-ring。(2)针对PF_RING PLUGIN不能实现用户自己灵活定制功能处理函数的缺陷,对PF_RING PLUGIN实现提出了改进,构建了快速开发的统一接口模块,完善了内存管理与任务分配等缺陷,使得开发者可以灵活的添加自己定制的功能函数。(3)整合PFRING与NAPI技术,将其应用到千兆位入侵检测/入侵保护系统的网络数据采集模块。论文对基于PF_RING+NAPI的网络流采集性能进行了测试,给出了测试数据,并进行了理论分析。(4)实现了基于PF_RING的敏感词检索,具有线速实时处理等优点,满足国家安全部门的实际应用需求。

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