一种高效的零拷贝报文捕获系统

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1、第４５卷第５期航空计算技术Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．５２０１５年９月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳｅｐ．２０１５一种高效的零拷贝报文捕获系统１２吕民强，吕丹丹（１．中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安７１００６８；２．中航工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳４７１０００）摘要：针对现有的报文捕获系统暴露性能上不足的问题，分析了报文捕获系统的主要性能瓶颈———数据拷贝、内核中断处理、内存申请和系统调用，为了减少数据拷贝、系统调用开销，提出一种零拷贝报文捕获系统ＺＰＣ（Ｚｅｒｏ-ｃｏｐｙＰａｃｋｅｔｓＣａｐｔｕｒｅＳｙｓｔｅｍ），测

2、试证明，ＺＰＣ可以大大降低数据拷贝和系统调用的次数，具有很高性能。关键词：零拷贝；数据拷贝系统调用；中断；内存申请中图分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ文章编号：１６７１-６５４Ｘ（２０１５）０５-０１０２-０４AnEfficientZero-copyPacketCaptureSystem１２ＬＶＭｉｎ-ｑｉａｎｇ，ＬＶＤａｎ-ｄａｎ（１．Xi′anAeronauticsComputingTcehniqueReserachIntsitute，AVIC，Xi′an７１００６８，China；２．LuoayngInstitutefoElectro-Optica

3、lEquipment，AVIC，uLoyang４７１０００，China）Abstrac：tＴｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｉｎｋｓｐｅｅｄｈａｓｒｅｖｅａｌｅｄｔｈｅｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐａｃｋｅｔｓｃａｐｔｕｒｅｓｙｓ－ｔｅｍ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｍａｉｎｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓｏｆｐａｃｋｅｔｓｃａｐｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍ-ｄａｔａｃｏｐｙｉｎｇ、ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ、ｓｙｓ－ｔｅｍｃａｌｌｓａｎｄｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｏａｖｏｉｄｄａｔａｃｏｐｙｉｎｇ、ｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｓａｎｄｍ

4、ｅｍｅｏｒｙａｌｌｃａｔｉｏｎ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｎｚｅｒｏ-ｃｏｐｙｐａｃｋｅｔｓｃａｐｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｗｅｃａｌｌｉｔＺＰＣ．ＴｅｓｔｉｎｇｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔＺＰＣｃａｎｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄａ－ｔａｃｏｐｙｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｓａｎｄｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｈａｖｅｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Keywords：ｚｅｒｏ-ｃｏｐｙ；ｄａｔａｃｏｐｉｎｇ；ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｓ；ｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｃａｔｉｏｎ引言基于Ｌｉｂｐｃａｐ的网络监测系统有效地提高性能。网络报文

5、捕获作为网络监测的关键技术，被广泛１传统报文捕获平台性能瓶颈地应用于大流量网络情况下的网络协议分析、网络故Ｌｉｎｕｘ系统报文捕获原理：操作系统内核协议栈为障分析、入侵检测系统、网络监控系统、网络防火墙等用户提供了一种工作在数据链路层的套接字Ｓｏｃｋ＿领域中。在Ｌｉｎｕｘ系统中，广泛使用Ｌｉｂｐｃａｐ（ＰａｃｋｅｔｓＰａｃｋｅｔ。Ｌｉｂｐｃａｐ通过该套接字应用程序接口从用户态［１］ＣａｐｔｕｒｅＬｉｂｒａｒｙ）作为网络监测程序的基础库。基进入到系统内核态，绕过内核协议栈中的ＴＣＰ层和ＩＰ于Ｌｉｂｐｃａｐ的传统报文捕获系统出于通用性的考虑，层处理过程，直接

6、从数据链路层捕获原始网络数据帧，花费大量的资源用于数据复制开销、系统调用开销、中通过将网卡设置在混杂模式，可以将网络上所有的数［２－３］断处理开销、内存申请开销。随着网络速度以及据报文捕获到数据链路层。应用的复杂性的不断增加，传统报文捕获系统的效率基于Ｌｉｂｐｃａｐ的报文捕获过程如图１所示：１）网［３］日益成为性能瓶颈，限制了网络监测系统的发展与卡接收数据包，通过ＤＭＡ传送到主机并向主机发送硬应用。件中断；２）硬件中断程序将数据包转入链路层的接收本文首先分析了传统基于Ｌｉｂｐｃａｐ报文捕获平台核心队列并设置软中断标志；３）软中断处理程序对数的性能瓶颈—

7、——数据拷贝、内核中断处理、内存申请和据包按协议分发，报文进入ＰＦ＿Ｐａｃｋａｇｅ队列；４）用户［４－６］系统调用开销。提出通过零拷贝机制ＺＰＣ（Ｚｅｒｏ-态的检测程序（如ＴＣＰＤＵＭＰ、ＳＮＩＦＦＥＲ）向内核发送系ｃｏｐｙＰａｃｋｅｔｓＣａｐｔｕｒｅ）来降低数据拷贝、内存申请和系统调用；５）系统调用服务程序将数据包拷贝到检测程统调用开销，实际应用情况表明，使用ＺＰＣ可以使得序的用户态缓冲区中；６）检测程序对数据进行分析处理。收稿日期：２０１５－０３－１２修订日期：２０１５－０８－２１基金项目：民用飞机专项科研项目资助（ＭＪ－Ｓ－２０１２－０５）作者简

8、介：吕民强（１９８２－），男，河南开封人，工程师，硕士，主要研究方向为计算机操作系统。２０１５