Linux环境下基于Intel千兆网卡的高速数据包捕获平台的研究

论文摘要

线速地实时处理网络报文流是入侵检测系统、网络协议分析、网络防火墙、高性能通信系统、高性能路由器、主机路由器,以及其他网络监视系统必须满足的首要条件。当前大部分的入侵检测系统、防火墙等网络监视及防御系统都是基于运行在PC架构上的Linux平台。百兆的网络环境下,普通的网卡和Libpcap接口就足以保证运行在Linux用户空间的网络报文处理程序线速地捕获网络报文。如:tcpdump、ethereal和snort等程序。然而千兆网络时代的到来,使得在通用操作系统下远达不到线速捕获网络数据包。本文实现了一种高性能的网络数据包的捕获平台,省去了数据包在内核和用户空间传递过程中的拷贝,缓存,以及系统调用过程,从而使得网络报文的处理性能有很大提升。本人主要工作如下:1.对Linux网络协议栈进行了分析,并对传统报文捕获平台Libpcap进行了分析研究。2.深入分析了Intel千兆网卡驱动及相关的中断机制,软中断机制及内存映射机制。3.在深入分析Linux 2.6内核的基础上,实现了一种新的基于Intel千兆网卡的高性能的网络数据包捕获平台ZeroP。ZeroP由两部分组成,一部分是位于内核空间的驱动模块,另一部分是用户空间的兼容Libpcap的接口。4.搭建了CISCO测试平台,对ZeroP平台进行了性能及兼容性测试,并对测试数据进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 数据包捕获技术国内外研究现状
• 1.2.1 国外现状
• 1.2.2 国内现状
• 1.3 本文组织安排
• 第二章 数据包捕获技术研究
• 2.1 Linux标准协议栈的数据包捕获过程分析
• 2.2 基于Libpcap的数据包捕获技术介绍
• 2.3 数据包捕获过程的影响因素
• 2.3.1 系统调用
• 2.3.2 数据包拷贝和数据校验
• 2.3.3 硬件中断
• 2.3.4 协议处理
• 2.4 零拷贝思想介绍
• 2.4.1 零拷贝思想引出
• 2.4.2 零拷贝技术实现中的关键问题
• 第三章 Intel千兆网卡相关技术研究
• 3.1 Intel千兆网卡接收描述符介绍
• 3.1.1 接收描述符结构
• 3.1.2 接收描述符队列环结构
• 3.1.3 接收数据结构整体框架图
• 3.2 Intel千兆网卡中断节制机制介绍
• 3.2.1 基本的中断处理流程
• 3.2.2 带中断节制机制的中断处理流程
• 3.2.3 中断节制机制的折中之道
• 3.2.4 中断节制机制的特性
• 3.3 NAPI技术简单介绍
• 3.4 Linux内存映射机制分析
• 3.4.1 物理内存管理
• 3.4.2 物理地址和虚拟地址之间的映射
• 3.4.3 Linux内核内存使用
• 3.4.4 I/O访问
• 3.5 红黑树原理介绍
• 3.5.1 红黑树插入操作
• 3.5.2 红黑树删除操作
• 3.6 Libpcap接口分析
• 3.6.1 Libpcap应用程序框架
• 3.6.2 打开网络设备
• 3.6.3 用户应用程序接口
• 第四章 基于Intel千兆网卡的零拷贝网络数据包捕获平台的研究与实现
• 4.1 设计思想
• 4.1.1 操作系统的选择
• 4.1.2 内核空间和用户空间的数据拷贝问题
• 4.1.3 缓冲环管理问题及同步问题
• 4.1.4 网络接口的选择
• 4.2 整体框架
• 4.3 基于E1000网卡的NAPI系统框架及工作原理
• 4.3.1 核心数据结构
• 4.3.2 基于E1000网卡的NAPI总体逻辑流程
• 4.4 ZeroP平台的系统框架及工作原理
• 4.4.1 系统初始化流程
• 4.4.2 网络数据包接收处理流程
• 4.5 具体实现
• 4.5.1 E1000网卡标准驱动的修改
• 4.5.2 上层接口函数
• 第五章 基于Intel千兆网卡的零拷贝网络数据包捕获平台的性能测试与数据分析
• 5.1 测试参数
• 5.2 测试环境
• 5.3 测试网络拓扑图
• 5.4 测试项目
• 5.5 测试结果
• 5.5.1 一个发包机下的接收性能
• 5.5.2 两个发包机下的接收性能
• 5.5.3 三个发包机下的接收性能
• 5.5.4 兼容性测试
• 5.6 测试结果分析
• 第六章 总结与前景展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表学术论文
• 致谢