CN101815014B - 基于连接的实时网络数据捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于连接的实时网络数据捕获方法，其包括以下步骤：步骤一：初始化应用层程序，并登记网络数据处理函数；步骤二：初始化虚拟网卡驱动模块；步骤三：应用层程序打开内核通讯事件，并监控内核通讯事件是否为信号态；步骤四：虚拟网卡驱动模块接收网卡驱动模块提交的数据包；步骤五：分析数据包信息；步骤六：根据数据包IP地址、物理地址、端口号连接共同数据来计算连接号；步骤七：提取数据包中与连接头不重复的数据，并生成包描述；步骤八：将包描述合并到连接缓冲数据中；步骤九：判断连接中的连接缓冲数据是否需要实时提交；步骤十：虚拟网卡驱动模块设置内核通讯事件为信号态。本发明避免提交在一个连接里面重复的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络技术，特别是涉及一种基于连接的实时网络数据捕获方法。
背景技术
获取网络中传输的数据包并进行处理与分析，已成为一种网络分析的基本技术，目前数据包捕获技术基本都是依赖于国外的开源软件而且基本都基于数据包。在Linux系统下一般用Libpcap函数包(一种Linux下的网络访问系统，基于定时获得数据包)，在Windows系统下一般用Winpcap系统(一种Windows网络访问系统，基于定时获得数据包)，或者用基于共享内存的数据包捕获方法。在TCP/IP协议中，一个完整的数据包具有以太头、IP头、TCP/UDP/ICMP头以及应用层数据。在同一个数据连接中的数据包中，以太头是完全一样的，IP头除了剩余时间、序号、校验和、数据包长度之外，其他字段都是一样，TCP/UDP/ICMP头除了校验和、数据包长度、序号之外，其他字段都是一样，只有应用层数据是不一样的，如果在连接创建的时候把一个连接共同特征保存起来，那么以后的数据包过来时，只需要提交一个连接中不相同的数据包和应用层数据到应用层分析，可以有效减少需要提交到应用层分析的数据。
有关数据包捕获的相关技术在中国专利200810097512.9、200610113329.4、200810019282.4、01139038.7、200710076153.4、200810192946.7、200610065273.X中已披露，但是在这些专利并未解决下列问题：一、通过通讯事件实时获得TCP/IP协议的应用层数据；二、合并数据包之间重复的内容，减少提交到应用层分析的内容，从而降低系统内存的占用和I/O次数；三、应 用层程序获得是基于连接的数据。
目前的网络数据捕获方法如中国专利200610113329.4，只能基于数据包捕获，不能基于连接处理数据，只能按照传统的方法轮询处理数据，不能实时通知应用层处理，所有的数据包需要完整提交，浪费内存。而且，市面上已经公开的现有技术只是通过某个技术手段把所有数据包放到共享内存或者放到队列中等待应用层通过轮询方法或者定时读写方法获得数据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于连接的实时网络数据捕获方法，其实现构建基于连接的缓冲区，将连接的数据汇总提交，避免提交在一个连接里面重复的数据，并利用通讯事件实现实时数据提交。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于连接的实时网络数据捕获方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：当应用层程序启动时，初始化应用层程序，并登记网络数据处理函数，将一个通讯事件名传递给虚拟网卡驱动模块；
步骤二：初始化虚拟网卡驱动模块，绑定虚拟网卡驱动模块到网卡驱动程序上，设置网卡为混杂模式，根据步骤一传入的通讯事件名对网卡创建一个虚拟网卡驱动模块和应用层之间通讯的内核通讯事件，设置内核通讯事件为非信号态；
步骤三：应用层程序打开内核通讯事件，并监控内核通讯事件是否为信号态；
步骤四：虚拟网卡驱动模块接收网卡驱动模块提交的数据包；
步骤五：分析数据包信息，根据数据包的IP地址、物理地址、端口号判断此数据包是否已经存在对应的连接在连接哈希表中，如果为是则执行步骤六，如果为否则执行步骤七；
步骤六：根据数据包IP地址、物理地址、端口号连接共同数据来计算 连接号，申请一块内存，并初始化连接头，将连接共同数据复制到连接头，将连接号与连接头加入到连接哈希表；
步骤七：提取数据包中与连接头不重复的数据，并生成包描述；
步骤八：将包描述合并到连接缓冲数据中；
步骤九：判断连接中的连接缓冲数据是否需要实时提交，如果为是则执行步骤十，如果为否则执行步骤四，继续接收数据包；
步骤十：虚拟网卡驱动模块设置内核通讯事件为信号态，应用层程序监控到信号态后实时提取连接缓冲数据并进行分析，然后进入步骤四，继续接收数据包。
优选地，所述步骤一还具体包括下列步骤：通过操作系统注册表判断虚拟网卡驱动模块是否存在，如果不存在，操作系统将安装虚拟网卡驱动模块。
优选地，所述步骤二还具体包括下列步骤：注册虚拟网卡驱动模块到网卡驱动程序之上；通知操作系统注册虚拟网卡驱动模块到协议驱动程序之下；操作系统将虚拟网卡驱动模块连接到网卡驱动程序；初始化虚拟网卡驱动模块中的连接内存池；建立一个基于连接号哈希表，键为连接号，值为连接头的指针地址；创建一个清理线程，专门清理连接号哈希表中超过十分钟不再活跃的连接，或者标记为等待删除状态的连接头；创建一个连接头指针链表，专门用来保存当前需要实时应用层数据的连接头。
优选地，所述步骤三还具体包括下列步骤：启动监听内核通讯事件的线程；在监听线程时创建处理连接数据的处理函数。
优选地，所述步骤十还具体包括下列步骤：将连接头的指针加入到需要提交应用层数据的连接头指针链表尾部；应用层程序监听到内核通讯事件为信号态后，提供一个8K字节的缓冲区，操作系统自动调用虚拟网卡驱动模块中与装置控制参数匹配的处理例程；从连接头指针链表中获得第一个连接头指针，获得这个连接中需要提交的数据，复制数据到装置控制参数中提供的缓冲区，修改连接头中的包描述总长度为零，准备接收新的数据；从连接 头指针链表删除已经提交数据的连接头指针，如果连接头链表为空，则返回成功，如果链表非空，那么返回失败；应用层程序控制参数的返回，检查结果为成功，处理这个连接中的应用层数据流，继续监听内核通讯事件，如果为失败，先处理这个连接中的应用层数据流，然后获得连接头指针链表中剩余连接的应用层数据流。
本发明的积极进步效果在于：本发明使应用层程序获得是基于连接的数据处理，这样更加方便且有效；通过通讯事件可以实时获得有效的TCP/IP协议应用层数据，合并了很多数据包之间重复的内容，从而降低系统内存的占用；因为对于无应用层数据等的数据包，不需要实时提交应用层分析，从而大大降低了系统I/O次数，降低了CPU占用。
附图说明
图1为本发明在实际网络环境中部署网络的结构框图。
图2为本发明基于连接的实时网络数据捕获方法的流程图。
图3为本发明的基于连接的连接头数据的结构示意图。
图4为本发明的数据包描述符的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明基于连接的实时网络数据捕获方法在实际网络环境时，数据镜像模块复制外面的网络数据包，数据镜像模块可以采用监控口或者带有镜像交换机的经过配置后镜像端口，网卡与数据镜像模块连接并获得从数据镜像模块的镜像口传送的网络数据包，网卡将网络数据提交网卡驱动模块中的网卡驱动程序处理，网卡驱动程序处理后将网络数据包传递给虚拟网卡驱动模块处理，然后虚拟网卡驱动模块将整理属于同一个连接中的网络数据包并提交应用层程序分析，需要操作系统处理的则提交操作系统处理， 这样就实现应用层实时数据获取。
如图2所示，本发明基于连接的实时网络数据捕获方法包括以下步骤：
步骤1：当应用层程序启动时，初始化应用层程序，并登记网络数据处理函数，将一个通讯事件名传递给虚拟网卡驱动模块；其中，步骤1还具体包括下列步骤：通过操作系统注册表判断虚拟网卡驱动模块是否存在，如果不存在，操作系统将安装虚拟网卡驱动模块；操作系统打开虚拟网卡驱动模块。
步骤2：初始化虚拟网卡驱动模块，绑定虚拟网卡驱动模块到网卡驱动程序上，设置网卡为混杂模式，根据步骤1传入的通讯事件名对网卡创建一个虚拟网卡驱动模块和应用层程序之间通讯的内核通讯事件，设置内核通讯事件为非信号态；其中，步骤2还具体包括下列步骤：注册虚拟网卡驱动模块到网卡驱动程序之上；通知操作系统注册虚拟网卡驱动模块到协议驱动程序之下；操作系统将虚拟网卡驱动模块连接到网卡驱动程序；初始化虚拟网卡驱动模块中的连接内存池；建立一个基于连接号哈希表，键为连接号，值为连接头的指针地址；创建一个清理线程，专门清理连接号哈希表中超过十分钟不再活跃的连接，或者标记为等待删除状态的连接头；创建一个连接头指针链表，专门用来保存当前需要实时应用层数据的连接头。
步骤3：应用层程序打开内核通讯事件，并监控内核通讯事件是否为信号态；其中，步骤3还具体包括下列步骤：启动监听内核通讯事件的线程；在监听线程时创建处理连接数据的处理函数。
步骤4：虚拟网卡驱动模块接收网卡驱动模块提交的数据包；
步骤5：分析数据包信息，根据数据包的IP地址、物理地址、端口号判断此数据包是否已经存在对应的连接在连接哈希表中，如果为是则执行步骤6，如果为否则执行步骤7；
步骤6：根据数据包IP地址、物理地址、端口号连接共同数据来计算连接号，计算方式为：((源ip地址+目的ip地址+协议号+源物理地址+目的物理地址)左移32位，然后加目的端口)左移4位+源端口，这样每个连接有 唯一的连接号，申请一块内存，并初始化连接头，将连接共同数据复制到连接头；将连接号与连接头加入到连接哈希表；其中，步骤6还具体包括下列步骤：申请一块内存(8K字节)，内存分为两个部分：如图3所示，第一部分包含源IP地址(4个字节)，目的IP地址(4个字节)，源物理地址(6个字节)，目的物理地址(6个字节)，IP数据类型(2个字节)，服务类型(1个字节)，协议类型(1个字节)，源端口(2个字节)，目的端口(2个字节)等在同一连接中共同的数据字段，与当前连接的状态(1个字节)，最后为数据包包描述的总长度(2个字节)，定义这一部分为连接头；第二部分具有包描述符集合，包描述符结构如下：如图4所示，1个字节的数据包描述符号，利用位表达式，0x1为进入数据包，0x2为外出数据包，0x4为确认数据包，0x8为包含应用层数据，0xf为这个连接为关闭状态，例如一个外出的数据，包含应用层数据那么这个描述为：0x2|0x4，后面两个字节用来数据后面应用层数据的长度，包描述符号集合就是由大量连续的长度不固定的包描述符构成。将网络数据包内容，根据连接头要求填入第一部分。将连接号为主键，内存的地址为键值，将这个新的连接记录加入到连接哈希表中。
步骤7：提取数据包中与连接头不重复的数据，并生成包描述；其中，步骤7还具体包括下列步骤：将内存指针指向内存地址加上内存第一部分中数据包包描述的总长度即为生成的新的包描述符的地址；判断网络数据包是外出(0x2)还是进来的(0x1)，判断数据包包含应用层数据(0x4)，不包含应用层数据0x8，组合生成数据包描述符号；如果包含应用层数据，将应用层数据复制到描述符的后面，并修改描述头中应用层数据长度；如果不包含应用层数据，那么设置应用层数据长度为0，并且不需要复制数据。
步骤8：将包描述合并到连接缓冲数据中；其中，步骤8还具体包括下列步骤：修改连接数据头中数据包包描述的总长度为：已经有的长度加上刚刚新生成的包描述符的长度；其中包描述符的长度为包描述符结构体的长度加上应用层数据的长度；如果是TCP数据包，那么找到TCP状态位，如果为FIN或者RST状态，设置连接头连接状态字段，状态为等待删除状态。
步骤9：判断连接缓冲数据中的数据是否需要实时提交，如果为是则执行步骤10，如果为否则执行步骤4，继续接收数据包；
步骤10：虚拟网卡驱动模块设置内核通讯事件为信号态，应用层程序监控到信号态后实时提取连接缓冲数据并进行分析，然后进入步骤4，继续接收数据包。其中，步骤10还具体包括下列步骤：将连接头的指针加入到需要提交应用层数据的连接头指针链表尾部；应用层程序监听到内核通讯事件为信号态后，提供一个8K字节(和内存一样大)的缓冲区，操作系统自动调用虚拟网卡驱动模块中与装置控制参数匹配的处理例程；从连接头指针链表中获得第一个连接头指针，获得这个连接中需要提交的数据，复制数据到装置控制参数中提供的缓冲区，修改连接头中的包描述总长度为0，准备接收新的数据；从连接头指针链表删除已经提交数据的连接头指针，如果连接头链表为空，则返回成功，如果链表非空，那么返回失败；应用层程序控制参数的返回，检查结果为成功，处理这个连接中的应用层数据流，继续监听内核通讯事件，如果为失败，先处理这个连接中的应用层数据流，然后获得连接头指针链表中剩余连接的应用层数据流。
如果一个数据包中没有应用层数据，那么只要提交一个数据包编号或者暂时不提交等收到多个确认信息一次提交多个编号，就可以完整表示一个数据，与其他发明相比就不需要每次都提交一个完整的数据包。这样一来，目前在互联网上的数据大量没有应用层数据的数据包(包含只带UDP头的UDP数据包，TCP SYN包，TCP状态位只包含ACK的确认包)，在基于连接的情况下，只需要生成一个包描述符就可以表示一个数据包，同时普通数据包在提交时因为数据包中大量的重复内容不需要提交。
本发明比基于数据包的方法节约大量内存，通过合并数据包到连接并利用通讯事件通知应用层取包，本发明也降低了系统的I/O(输入/输出)次数和共享内存复制数据的次数，降低了系统CPU占用，因为提交的数据是基于连接的，也降低了应用程序处理数据的复杂度，基于以上处理，本发明成功将网络数据包处理的瓶颈由I/O(输入/输出)导致的高CPU占用转化为网卡本身的带宽处理能力。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (5)
1.一种基于连接的实时网络数据捕获方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一：当应用层程序启动时，初始化应用层程序，并登记网络数据处理函数，将一个通讯事件名传递给虚拟网卡驱动模块；
步骤二：初始化虚拟网卡驱动模块，绑定虚拟网卡驱动模块到网卡驱动程序上，设置网卡为混杂模式，根据步骤一传入的通讯事件名对网卡创建一个虚拟网卡驱动模块和应用层程序之间通讯的内核通讯事件，设置内核通讯事件为非信号态；
步骤三：应用层程序打开内核通讯事件，并监控内核通讯事件是否为信号态；
步骤四：虚拟网卡驱动模块接收网卡驱动模块提交的数据包；
步骤五：分析数据包信息，根据数据包的IP地址、物理地址、端口号判断此数据包是否已经存在对应的连接在连接哈希表中，如果为是则执行步骤六，如果为否则执行步骤七；
步骤六：根据数据包IP地址、物理地址、端口号连接共同数据来计算连接号，申请一块内存，并初始化连接头，将连接共同数据复制到连接头，将连接号与连接头加入到连接哈希表；
步骤七：提取数据包中与连接头不重复的数据，并生成包描述；
步骤八：将包描述合并到连接缓冲数据中；
步骤九：判断连接中的连接缓冲数据是否需要实时提交，如果为是则执行步骤十，如果为否则执行步骤四，继续接收数据包；
步骤十：虚拟网卡驱动模块设置内核通讯事件为信号态，应用层程序监控到信号态后实时提取连接缓冲数据并进行分析，然后进入步骤四，继续接收数据包。
2.如权利要求1所述的实时网络数据捕获方法，其特征在于，所述步骤一还具体包括下列步骤：通过操作系统注册表判断虚拟网卡驱动模块是否存在，如果不存在，操作系统将安装虚拟网卡驱动模块。
3.如权利要求1所述的实时网络数据捕获方法，其特征在于，所述步骤二还具体包括下列步骤：注册虚拟网卡驱动模块到网卡驱动程序之上；通知操作系统注册虚拟网卡驱动模块到协议驱动程序之下；操作系统将虚拟网卡驱动模块连接到网卡驱动程序；初始化虚拟网卡驱动模块中的连接内存池；建立一个基于连接号哈希表，键为连接号，值为连接头的指针地址；创建一个清理线程，专门清理连接号哈希表中超过十分钟不再活跃的连接，或者标记为等待删除状态的连接头；创建一个连接头指针链表，专门用来保存当前需要实时应用层数据的连接头。
4.如权利要求1所述的实时网络数据捕获方法，其特征在于，所述步骤三还具体包括下列步骤：启动监听内核通讯事件的线程；在监听线程时创建处理连接数据的处理函数。
5.如权利要求1所述的实时网络数据捕获方法，其特征在于，所述步骤十还具体包括下列步骤：将连接头的指针加入到需要提交应用层数据的连接头指针链表尾部；应用层程序监听到内核通讯事件为信号态后，提供一个8K字节的缓冲区，操作系统自动调用虚拟网卡驱动模块中与装置控制参数匹配的处理例程；从连接头指针链表中获得第一个连接头指针，获得这个连接中需要提交的数据，复制数据到装置控制参数中提供的缓冲区，修改连接头中的包描述总长度为零，准备接收新的数据；从连接头指针链表删除已经提交数据的连接头指针，如果连接头链表为空，则返回成功，如果链表非空，那么返回失败；应用层程序控制参数的返回，检查结果为成功，处理这个连接中的应用层数据流，继续监听内核通讯事件，如果为失败，先处理这个连接中的应用层数据流，然后获得连接头指针链表中剩余连接的应用层数据流。
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