一种用于高效报文捕获引擎的异步算法

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1、万方数据计算机研究与发展JournalofComputerResearchandDevelopmentISSN1000—1239lCN11—1777

2、TP43(Suppl．)：94～99，2006一种用于高效报文捕获引擎的异步算法唐勇卢锡城胡华平罗宇(国防科学技术大学计算机学院长沙410073)(ytang@nudt．edu．ca)AnAsyncbronousAlgorithmforHighPerformancePacketCaptureEngineTangYong，LuXicheng，HuHuaping，andLuoYu(SchoolofComputerScience

3、，National魄i删戚砂ofDefenseTechnology，Changsha410073)AbstractTheincreasinglinkspeedhasrevealedtheinefficienciesoftheexistingpacketcaptureengines，whicharetheinfrastructuresfornetworkmonitoring．Inthispaperamodelofpacketreceivingisfirstintroducedandthemainbottlenecksofpacketcapture--datacopying

4、andcontextswitchareanalyzed．Toavoidcontext—switch，anasynchronousalgorithm，called“chasealgorithmunderasymmetricpreemptioncondition'’isproposed，whichsolvesthecriticalsectionaccessproblemandexploitstheasynchronisminefficiency．Modelanalysisandtestindicatethatthepacketcapturingenginebasedonth

5、isalgorithmcangreatlyreducecontextswitches，andhavehighperformance．Keywordsnetworkmonitoring；packetcapture；asynchronousalgorithm；zerocopy；contextswitch摘要随着网络速度的增加，作为网络监测底层设施的报文捕获引擎暴露出性能上的不足．首先建立了报文接收的模型，分析了报文捕获的主要性能瓶颈——数据拷贝和上下文切换．为了避免上下文切换，提出了一种异步算法，称为“非对称剥夺条件下的追赶算法”，它解决了-晦界段互斥访问的问题，并可以充分

6、发挥异步工作的效率优势．模型分析和测试表明，基于这种算法设计和实现的报文捕获引擎可以大大减少上下文切换次数，具有很高的性能．关键词网络安全；报文捕获；异步算法；零拷贝；上下文切换中圈法分类号TP309网络报文捕获[1-2J作为网络监测的关键技术，被广泛地应用于分布式实时控制系统、网络故障分析、入侵检测系统、网络监控系统、计算机取证系统等领域中．其中，应用最广泛的是基于BPF(Berkeleypacketfilter)[33的Libpcap库．随着网络速度以及应用的复杂性的不断增加，BPF的效率日益成为性能瓶颈[4-6J，限制了网络监测系统的发展与应用．为了提高报文捕获机

7、制的效率，DPF[7J利用运行时产生的知识及动态代码产生技术提高BPF的性能．然而，多数的应用并不需要复杂的报文过滤机制，因此并不能充分利用上述的优化措施【8J．xPF[9J扩展了BPF的过滤器功能，通过将大部分报文监测的功能插入内核中以提高整体效率．它的缺点是对新实现的网络监测系统有可能提高性能，而对大量的现有系统无效．FLAME【8J同样也提供了机制可以将特定代码编译并载人到内核中执行，并进一步希望为网络监测系统设计一种高速、开放、可扩展和安全的底层设施，然而它也无法提高现有的系统的性能．文献[10—11]介绍了两种基于网络处理器的报文捕获引擎，具有很高的性能，但是

8、由于需要专用的收稿日期：2006—07-07基金项目：国家自然科学基金项目(60573136)；国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目(2005AAl21570)；现代通信国家重点实验室基金项目(51436050605KG0102)万方数据唐勇等：一种用于高效报文捕获引擎的异步算法95硬件设备，价格昂贵，适用范围有限．因此，大量基于BPF的系统迫切需要新的能够运行于通用平台的高效报文捕获引擎，使得可以平滑有效地提高系统性能．针对现有解决方案的不足，本文提出在存储映像的基础上，网络监控进程不通过系统调用而直接从内核空间获得报文．为了解决临