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基于网络处理器的千兆以太网流量监测系统设计与实现

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论文说明:插图索引、附表索引

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第1章绪论

1.1网络流量监测的意义

1.2基于被动测量技术的流量监测系统的研究意义

1.3本文的主要工作

1.4论文的整体结构及章节安排

第2章流量监测系统构架及相关测量技术

2.1引言

2.2流量监测系统构架

2.3流量监测指标制定

2.4流量监测技术

2.4.1流的定义和匹配

2.4.2流的结束判断

2.4.3主动测量与被动测量

2.5本章小结

第3章以太网流量监测系统监测指标

3.1引言

3.2流量监测指标

3.2.1基本协议监测指标

3.2.2基于流的监测指标

3.2.3用户配置指标

3.2.4 AS与IP相关的监测指标

3.3本章小结

第4章以太网流量监测系统实现的关键技术

4.1引言

4.2数据包捕获技术

4.2.1网络处理器的系统结构

4.2.2网络处理器分组捕获技术

4.2.3定时器的实现

4.3流监测技术

4.3.1流的匹配与存储

4.3.2流结束判断方法

4.4本章小结

第5章以太网流量监测系统设计与实现

5.1引言

5.2系统总体结构

5.3流量捕获模块的设计

5.4流量分析模块的设计

5.5板间通讯模块

5.6本章小结

第6章流量监测系统测试结果分析

6.1帧捕获性能分析

6.2流匹配算法性能分析

6.3本章小结

结束语

参考文献

致 谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B攻读学位期间参加的主要科研项目

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摘要

随着网络规模的不断扩大,网络异构程度的不断加深,计算机网络变得日益复杂,迫切需要对网络的流量进行实时、在线的监控和管理。网络测量按是否向网络注入探测数据包分为主动测量与被动测量,网络流量监测属于被动测量技术,通过网络流量监测可以获得详细的流量特征,如流量大小、协议分布、包大小分布等,从而指导网络运维和管理,并且对网络规划也有重要指导意义。 网络流量监测的难点是高速链路数据包的捕获和快速流匹配。由于受到硬件性能和操作系统开销的影响,目前对网络流量的监测主要是集中在低速链路。对于高速链路上流量的监测面临许多的问题,包括高速数据包的捕获、快速流匹配、健全的监测指标定义、流存储、流结束判断等。本文围绕着这些问题,重点对数据包捕获、流匹配和监测指标进行了研究,实现了一种直接操作DMA环进行高速链路数据包捕获的方法;结合AdaptiveHashBuckets存储结构和XORFolding算法,设计一个新的哈希函数实现流的匹配算法;应用以上两种方法,最终在高性能网络处理器硬件平台上实现了以太网流量监测系统。 本文工作主要包括以下几个方面:1)基于DMA实现高速数据包收发。通过分析网络处理器的网卡工作原理,结合MIPS64指令系统,提出了一种基于DMA技术的数据包分组捕获方法。在该方法中,网卡驱动与上层系统共享一块内存区域,网卡从网络上捕获到的数据包直接DMA至网络监测系统,这个过程避免了数据的内存拷贝,不需要占用CPU资源,最大程度地将CPU资源分配给协议分析和模式匹配等进程去利用,提高网络处理器的数据包处理能力。 2)设计了一个新的哈希函数实现流的匹配。目前常用的流匹配算法在高速链路无法满足性能的要求,为此设计了一个新的流匹配算法。该算法在快速hash的前提下保持较低的冲突率,实现了speed-versus-space(速度对空间)均衡问题。 3)基于网络处理器的以太网流量监测系统实现。通过采用高性能网络处理器和基于BIOS的软件平台,结合DMA技术和新的流匹配算法,实现了双千兆以太链路的并行监测,完成了流量监测系统。

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