CN101527719B - 一种tcp数据流并行分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TCP数据流并行分析方法，它主要采用了可伸缩性、可扩展的模块化设计的技术手段、采用多线程异步工作模式。TCP数据流管理模块循环处理数据包的TCP数据流，TCP数据流分析控制模块循环分析处理传入该模块的TCP数据流，并通过一种数据关系的方式相互链接到一起，从而形成了一个功能强大，性能高效的并行分析系统，从而实现了使TCP数据流管理模块与TCP数据流分析控制模块同步运行，提高网络分析系统的数据处理效率、扩大了使用范围。同时由于有了CPU多核化技术的硬件支持使TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块由不同的CPU来负责管理，提高每一个模块的处理效率，使网络分析效率优化更加明显。
Description
技术领域
本发明一般涉及网络传播中数据的分析处理，特别是涉及互联网或者类似网络中的数据包的并行分析处理。
背景技术
在计算机网络里传输数据分为两种，一种是的无连接的不可靠传输，采用的是UDP协议。而另外一种传输方式是一种确保数据可靠、面向连接的传输，采用的是TCP协议。
对于UDP，因为是无连接的，所以单包操作分析过程简单明确。而TCP的数据传输，由于是面向连接的可靠传输协议，所有分析过程不再是单一数据包操作，而是由若干数据包组成的的TCP数据流，因此我们也叫TCP是基于流的协议。
一般而言，对TCP数据流的分析，首先必须要克服的就是确保TCP的重传、乱序等技术难题。现有的TCP数据流分析，是单步分析，或是说阻塞分析提供分析TCP数据流的方法，确保TCP的重传、乱序等问题得到有效解决。
具体过程是当收到一个TCP数据包时，该数据包所在的TCP流就会遍历所有的高级协议分析模块去分析TCP所携带的应用层数据，当所有的分析模块分析完毕之后，该TCP流对于该数据包的分析才结束，从而网络分析系统才会继续分析下一个数据包。
随着网络通信技术的不断进步，不但网络流量不断增大如千兆网的出现，硬件技术(特别是CPU)在技术上也越来越成熟，从过去的单核到现在的双核、4核甚至8核，CPU技术的快速发展的技术环境中，用户对于网络通讯数据的分析不管从质量还是效率上都提出了新的要求。
传统TCP分析系统拥有的最大数据处理能力仅为每秒200兆位(200Mbps)，如果网络系统所在的捕捉点的数据流量一旦超过200Mbps，比如千兆网环境下就会导致分析负荷外数据丢失。
采用传统的单步阻塞分析技术，速度慢、效率低下，经常会由于分析处理忙而导致数据包丢失，这样的分析结果无法真正的反映被分析的网络状态和准确地描述出用户网络特征、性能和故障等问题。
这些固有的缺陷产生以下后果：
1、络通讯数据分析的质量下降，无法真正的反映被分析的网络状态和准确地描述出用户网络特征、性能和故障等问题。
2、严重的影响网络分析的后续工作，导致用户界面显示结果刷新慢，实效性低。
3、无法充分发挥现有硬件设备的性能。
总之导致以上结果的原因，在于传统的TCP分析系统采用的是阻塞分析方法，只有当一个数据包所在的TCP流就会遍历所有的高级协议分析模块去分析TCP所携带的应用层数据，当所有的分析模块分析完毕之后，该TCP流对于该数据包的分析才结束，从而网络分析系统才会继续分析下一个数据包。
研究一种方法将提高现有网络分析系统的数据处理能力，适应现在网络流量不断增大的趋势，充分发挥硬件设备优质性能，满足用户的需求，是非常具有现实意义的。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种TCP数据流并行分析方法，使TCP数据流管理模块与TCP数据流分析控制模块同步运行，从而提高网络分析系统的数据处理效率。
为了实现上述发明目的技术方案是，包括以下步骤：
(1)由网络数据包捕捉模块捕捉目标网络中的数据包，并将其输送给TCP数据流管理模块；
(2)TCP数据流管理模块判断该数据包的物理介质，将基于以太网的数据包，交给Ethernet模块分析并提取数据，发现数据包是IP数据包，通知IP子模块分析；
如果发现数据包不是IP数据包时，返回第(1)步骤；
(3)TCP数据流管理模块的IP子模块收到数据包，提取网络层数据，再根据数据包网络协议类型分别输入TCP模块或UDP模块中，其中属于UDP模块的数据，直接输入给网络分析模块；
如果属于TCP模块中的数据，TCP模块提取传输层上的数据，依据TCP数据流属性，放入对应的数据流中，并通知TCP数据流分析控制模块有新的数据到来；
(4)设置线程工作信号，并检测TCP数据流分析控制模块中的线程池是否有空闲的线程，如果有，调度该空闲线程，调取新传入的TCP数据流，输送给网络分析模块；如果没有，将该数据流放入在TCP数据流待分析缓存器的TCP数据流队列中，等待分析线程的调取；
(5)网络分析模块中的各层网络协议模块分别分析输入该模块的数据，并输出相应分析结果；
(6)网络分析模块完成后，检测TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列是否还存在待分析的数据，如果有，该工作分析线程，继续调取TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列中待分析的数据供网络分析模块分析，如果没有，释放该工作分析线程的控制权，将该分析线程放入线程池中，等待下一次调用。
上述第(1)步骤中的数据包除了由网络数据包捕捉模块提供之外，也可以由主机系统自行提供。
上述第(3)步骤中的网络协议类型包括UDP协议和TCP协议。
上述第(5)步骤中的各层网络协议模块包括HTTP协议模块、FTP协议模块、SMTP协议模块、POP3协议模块、MSN协议模块。
本发明方法具有以下优点：
(1)实现并行分析。本发明采用了多线程异步工作模式，模块化设计。具体过程是当收到一个TCP数据包时，该数据包所在的流会提取该数据包的特征和所携带的应用层数据，然后将其放入流的分析队列，并且该TCP流就立即返回，从而网络分析系统继续分析下一个数据包，与此同时，在队列中等待分析的TCP流，在调度系统拥有空闲时就会立即调用该流的数据遍历所有的分析模块，待分析模块分析完毕后释放数据。
(2)提高网络分析模块分析效率。由于实现了并行分析，与现有阻塞分析方法的分析效率相比，本发明可以将网络分析效率提高到每秒处理10000个数据包。
(3)充分利用硬件设备的性能，特别是多核化。本发明实现并行分析，使网络分析系统中的TCP数据管理模块和TCP数据流分析控制模块由不同的CPU进行控制和管理，没有间隙地运行，从而充分利用硬件的储存、分析等能力。
(4)适应范围更广。本发明能适应1000兆网络流两的网络，并不会出现阻碍、丢包等情况。
附图说明
图1是现有技术TCP数据流单步分析方法的工作原理图及流程图
图2是本发明的工作原理图
图3是本发明的流程图
图4是本发明的数据包处理的工作原理及流程图
图5是本发明的数据包分析的工作原理及流程图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。
总的来说，本发明的原理在于，采用多路并行工作原理，采用高效快速的异步技术。
具体的说，TCP流管理模块接收到一个来自于数据包捕捉器的数据包或者主机系统内部的数据包，根据该数据包的应用层、传输层的数据分析确定所属的TCP数据流，并将该数据包放入其TCP数据流中；将该数据流输送给TCP数据流分析控制模块，并通知TCP数据流分析控制模块有新的TCP数据流到达。TCP流管理模块立即返回分析下一个TCP数据包。
TCP数据流分析控制模块接到有携带有数据包的TCP数据流到来的通知后，自动设置线程工作信号，检测TCP数据流分析控制模块中的线程池是否有空闲的线程，如果有，调度该空闲线程，调取新传入的TCP数据流，输送给网络分析模块；如果没有，将该数据流放入在TCP数据流待分析缓存器的TCP数据流队列中，等待分析线程的调取。TCP数据流分析控制模块中的网络分析模块中的各层网络协议模块分别分析输入该模块的数据流，并输出相应分析结果。当该网络分析模块完成后，检测TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列是否还存在待分析的数据，如果有，输送该TCP数据流的分析线程，继续调取TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列中待分析的TCP数据流供网络分析模块分析，如果没有，释放该工作分析线程的控制权，将该分析线程放入线程池中，等待下一次调用。
这样使TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块都有了一个独立循环的系统各自实现各自的功能，两个模块互不影响，并行工作；同时通过数据流将两个模块在一起，从而克服了传统网络分析方法——阻塞分析方法总要使其中一个模块闲置的技术难题，实现了网络数据的并行分析，将网络分析速度每秒可以分析100000个数据包；同时可以支持10M\100M\1000M的网络流量，并可以现在超过传统TCP分析系统拥有的最大数据处理能力仅为每秒200兆位(200Mbps)的网络流量下(比如千兆网环境)不会导致数据丢失。
下面将对照附图，解释和说明本发明的一个实施例中的TCP数据流并行分析方法的工作原理及具体的工作流程，为了使本技术方案更易于理解，在描述本发明所采用的并行分析技术之前，需要对传统情况下传统网络分析方法进行说明。
如图1所示，首先捕捉目标网络的TCP数据包。具体的说，通过数据包捕捉器捕捉目标网络中的TCP数据包，并通知TCP数据流管理模块进行处理。
接下来TCP数据流管理模块，分析确认该数据包所在的TCP数据流，将该数据包加入该TCP数据流，并将该数据流传输给网络分析模块。此时，数据包处理模块暂停使用，等待再次启动。
接下来，TCP数据流分析控制模块当收到一个TCP数据流时，该TCP流就会遍历所有的高级协议分析模块去分析TCP所携带的所有的数据包，当所有的分析模块分析完毕之后，TCP数据流分析控制模块对于该数据的分析工作结束。通知数据包捕捉器模块再次捕捉目标网络中的数据包。此时，网络分析模块暂停运行，等待由下一个数据包需要分析时，再启动分析。
由此可见，传统的分析方法，始终有一个模块，被闲置着，没有运行，这个就是传统的网络分析方法的效率不高的技术难题。
本发明的重点在于，并行分析的特点，也就是说TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块异步同时工作。
具体的说，就是可伸缩性、可扩展的模块化设计的技术手段、采用多线程异步工作模式。实现TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块各自拥有各自的循环系统，通过一种数据关系的方式相互链接到一起，从而形成了一个功能强大，性能高效的分析系统。TCP数据流管理模块负责解决数据包是否为TCP数据包以及查找该数据包的TCP数据流，并通知TCP数据流分析控制模块有新的携带有数据包的TCP数据流到来，返回分析下一个数据包；TCP数据流分析控制模块控制线程池中线程的工作调配，使线程循环性地调取输送到TCP数据流分析控制模块中的TCP数据流，输送给TCP数据流分析控制模块中的网络分析模块，进行分析。这样，实现两大模块同时独立完成各自的任务，同时这两大板块又由一种数据关系的方式相互链接到一起，又形成了一个功能强大，性能高效的分析系统。明显提高了网络分析效率。
采用当前CPU多核化技术的硬件支持，使TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块由不同的CPU来负责管理成为现实，这样减轻以前单核的运行负荷，提高每一个模块的处理效率。
从而实现并行分析的特点，克服了传统单步分析，或是说阻塞分析方法中，总是出现一个系统模块闲置的弊端，优化网络分析系统的结构，最大限度的提高网络分析系统的分析效率。
具体的说，如图2所示本实施例的TCP数据流并行分析方法的工作流程如下：
(1)由网络数据包捕捉模块捕捉目标网络中的数据包，并将其输送给TCP数据流管理模块；
(2)TCP数据流管理模块判断该数据包的物理介质，将基于以太网的数据包，交给Ethernet模块分析并提取数据，发现数据包是IP数据包，通知IP子模块分析；
如果发现数据包不是IP数据包时，返回第(1)步骤；
(3)TCP数据流管理模块的IP子模块收到数据包，提取网络层数据，再根据其网络协议类型分别输入TCP模块或UDP模块中，其中属于UDP模块的数据，直接输入给网络分析模块；
如果属于TCP模块中的数据，TCP模块提取其传输层上的数据，依据其TCP数据流属性，放入对应的数据流中，并通知TCP数据流分析控制模块有新的数据到来；
(4)设置线程工作信号，并检测TCP数据流分析控制模块中的线程池是否有空闲的线程，如果有，调度该空闲线程，调取新传入的TCP数据流，输送给网络分析模块；如果没有，将该数据流放入在TCP数据流待分析缓存器的TCP数据流队列中，等待分析线程的调取；
(5)网络分析模块中的各层网络协议模块分别分析输入该模块的数据，并输出相应分析结果；
(6)网络分析模块完成后，检测TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列是否还存在待分析的数据，如果有，该工作分析线程，继续调取TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列中待分析的数据供网络分析模块分析，如果没有，释放该工作分析线程的控制权，将该分析线程放入线程池中，等待下一次调用。
由此可见，本发明方法采用可伸缩性、可扩展的模块化设计的技术手段。实现TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块各自拥有各自的循环系统，通过一种数据关系的方式相互链接到一起，从而形成了一个功能强大，性能高效的分析系统。采用多线程异步工作模式。TCP数据流管理模块负责解决数据包是否为TCP数据包以及查找该数据包的TCP数据流，并通知TCP数据流分析控制模块有新的携带有数据包的TCP数据流到来，返回分析下一个数据包；TCP数据流分析控制模块控制线程池中线程的工作调配，使线程循环性地调取输送到TCP数据流分析控制模块中的TCP数据流，输送给TCP数据流分析控制模块中的网络分析模块，进行分析。从而实现了TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块同时异步运行(并行)。
采用当前CPU多核化技术的硬件支持，使TCP数据流管理模块和TCP数据流分析控制模块由不同的CPU来负责管理成为现实，这样减轻以前单核的运行负荷，提高每一个模块的处理效率，也了提高整个网络分析系统的效率，优化网络分析系统
虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但是本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (5)
1.一种TCP数据流并行分析方法，包括以下步骤：
(1)由网络数据包捕捉模块捕捉目标网络中的数据包，并将其输送给TCP数据流管理模块；
(2)TCP数据流管理模块判断该数据包的物理介质，将基于以太网的数据包，交给Ethernet模块分析并提取数据，发现数据包是IP数据包，通知IP子模块分析；
如果发现数据包不是IP数据包时，返回第(1)步骤，捕捉下一个数据包；
(3)TCP数据流管理模块的IP子模块收到数据包，提取网络层数据，再根据其网络协议类型分别输入TCP模块或UDP模块中，其中通过UDP模块的数据，然后直接输入给网络分析模块；
如果通过TCP模块中的数据，TCP模块提取其传输层上的数据，依据其TCP数据流属性，放入对应的数据流中，并通知TCP数据流分析控制模块有新的数据到来；
(4)TCP数据流分析控制模块接到有携带有数据包的TCP数据流到来的通知后，自动设置线程工作信号，检测TCP数据流分析控制模块中的线程池是否有空闲的线程，如果有，调度该空闲线程，调取新传入的TCP数据流，输送给网络分析模块；如果没有，将该数据流放入在TCP数据流待分析缓存器的TCP数据流队列中，等待分析线程的调取；
(5)网络分析模块中的各层网络协议模块分别分析输入该模块的数据，并输出相应分析结果；
(6)网络分析模块完成后，检测TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据 流队列是否还存在待分析的数据，如果有，该工作分析线程，继续调取TCP数据流待分析缓存器中的TCP数据流队列中待分析的数据供网络分析模块分析，如果没有，释放该工作分析线程的控制权，将该分析线程放入线程池中，等待下一次调用。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于第(1)步骤中的数据包由主机系统自行提供。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于第(3)步骤中的网络协议类型包括UDP协议和TCP协议。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于第(5)步骤中的各层网络协议模块包括HTTP协议模块、FTP协议模块、SMTP协议模块、POP3协议模块、MSN协议模块。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于第(2)、(4)步骤中的TCP数据流管理模块、TCP数据流分析控制模块可以分别为不同的CPU管理。
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