CN109672701A - 一种差异化tcp链接管理方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差异化TCP链接管理方法及设备。本方法为：对当前TCP链接中的数据包，根据其四元组信息在TCP流表中查找匹配的四元组；如果没有匹配的四元组，则根据该四元组信息在TCP流表中新建一TCP流管理结构，根据数据包的特征识别TCP链接的协议类别并设置TCP链接的最大乱序数阈值；如果存在匹配的四元组，则根据数据包的序号SEQ大于该TCP链接期待到达的数据包序号EXP_SEQ，则判定数据包为对应TCP链接的乱序包，如果乱序包数量未超过对应的最大乱序数阈值，则缓存该乱序包并将乱序数计数加1；否则增大对应TCP链接的最大乱序数阈值，清空该TCP链接的乱序包计数并将对应数据交付上层应用处理。

Description

一种差异化TCP链接管理方法及设备
技术领域
本发明属于计算机网络技术领域，涉及一种差异化TCP链接管理方法及设备。
背景技术
TCP传输协议是有序且可靠的，在实际网络传输过程中，由于网络路由路径、链路带宽、链路延时的不同，TCP包乱序到达的情况很常见。当有乱序包先到达时，需要暂存这些数据，待正序包到达后，协议栈再将有序的数据包一起交付上层应用处理。
随着互联网的带宽迅速增加，为了提高带宽的利用率，TCP的滑动窗口值也越来越大，即在收到对方确认包之前，可以一次性发送的数据包越来越多，这种情况下，数据包乱序的机率也会增多。
对于系统协议栈来说，最大乱序数阈值即TCP滑动窗口值，即使网络传输过程中，有丢包情况发生，发送端未收到接收端的ACK包，也会再重传丢失的数据包。
但对于网络防病毒、深度包检测(DPI，Deep Packet Inspection)、入侵检测系统(IDS，Intrusion Detection System)、网络行为分析(NBA，Network Behavior Analysis)等系统或设备来说，通常是采用旁路方式部署到现有网络，采用复制或镜像方式获取一份真实网络流量的副本，在这种情况下，TCP协议就不再保证是可靠的，即真实通信的双方没有丢包，在镜像复制过程中，IDS系统却没有收到数据包，即有真正丢包的情况。
此类情况下，IDS系统就不能一直等待对方重传，而是要设置最大乱序包数阈值，超过此值后，就认为有丢包发生且无法再收到期待的数据，根据用户需求，可继续向应用层交付后续的数据包，或者直接丢弃整个TCP链接。
在传统DPI设备的TCP链接管理策略中，通常没有考虑不同应用层业务数据的特点，采用统一的链接管理策略，即全局只有一个最大乱序包缓存数阈值，不能很好的满足高速网络环境下，对特定流量数据分析的需求。
现有技术的缺点及本申请要解决的技术问题
目前大部分DPI系统的TCP链接管理模块，对最大乱序数通常设为全局性参数，如果设置的不当，会导致如下问题：
1)最大乱序数阈值如果设置的太小，则可能会丢失应用层数据，降低了数据完整性，进而影响业务处理正确性；
2)最大乱序数阈值如果设置的太大，虽然在一定程度上保证了数据完整性，但会导致内存资源占用太高。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种差异化TCP链接管理方法及设备。
本发明的技术方案为：
一种差异化TCP链接管理方法，其步骤包括：
TCP链接处理模块对当前TCP链接中的数据包，根据该数据包的四元组信息在TCP流表中查找匹配的四元组；
如果没有匹配的四元组，则根据该数据包的四元组信息在该TCP流表中新建一TCP流管理结构，根据该数据包的特征识别该TCP链接的协议类别并设置该TCP链接的最大乱序数阈值；
如果存在匹配的四元组，则根据该数据包的序号SEQ与该TCP链接期待到达的数据包序号EXP_SEQ做比较：如果SEQ<EXP_SEQ，则丢弃该数据包；如果SEQ＝＝EXP_SEQ，则将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理；如果SEQ>EXP_SEQ，则判定该数据包为该TCP链接的乱序包，如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量未超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则将该乱序包暂存到该TCP链接对应的缓存区并将乱序数计数加1；如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值；然后清空该TCP链接的乱序包计数并将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理。
进一步的，增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值的方法为：设调整前该TCP链接的最大乱序数阈值为N，每次调整增加幅度为P％；该TCP链接的最大乱序数阈值的最大值不超过该TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值的M倍。
进一步的，所述增加幅度为P％为10％；所述M取值为2。
进一步的，所述协议类别包括文件传输类、远程管理类、音视频类、聊天工具类。
进一步的，根据协议类型-最大乱序数阈值对应表设置TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值；其中，协议类型为远程管理类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为5；协议类型为超文本传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为10；协议类型为音视频类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为50；协议类型为文件传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为100。
一种差异化TCP链接管理设备，其特征在于，包括TCP链接处理模块、应用层协议识别模块；其中，
所述应用层协议识别模块，用于根据TCP链接中的数据包的特征识别该TCP链接的协议类别；
所述TCP链接处理模块，用于提取当前TCP链接中的数据包的四元组，并根据数据包的四元组信息在TCP流表中查找匹配的四元组；如果没有匹配的四元组，则根据该数据包的四元组信息在该TCP流表中新建一TCP流管理结构，并设置该TCP链接的最大乱序数阈值及其协议类型；如果存在匹配的四元组，则根据该数据包的序号SEQ与该TCP链接期待到达的数据包序号EXP_SEQ做比较：如果SEQ<EXP_SEQ，则丢弃该数据包；如果SEQ＝＝EXP_SEQ，则将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理；如果SEQ>EXP_SEQ，则判定该数据包为该TCP链接的乱序包，如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量未超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则将该乱序包暂存到该TCP链接对应的缓存区并将乱序数计数加1；如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值；然后清空该TCP链接的乱序包计数并将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理。
进一步的，所述TCP链接处理模块根据公式N’＝N*(1+10％)增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值；其中，N为该TCP链接的调整前的最大乱序数阈值，P％为每次调整增加幅度；该TCP链接的最大乱序数阈值的最大值不超过该TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值的M倍。
进一步的，所述TCP链接处理模块根据协议类型-最大乱序数阈值对应表设置TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值；其中，协议类型为远程管理类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为5；协议类型为超文本传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为10；协议类型为音视频类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为50；协议类型为文件传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为100。
进一步的，所述设备与TCP链接经过的网络设备连接，用于从该网络设备接收该TCP链接的端口镜像数据或分光数据。
进一步的，所述设备为深度包检测设备DPI、入侵检测系统IDS或网络行为分析设备NBA。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明根据上层应用协议的特点，有针对性的进行差异化管理，动态设置每个TCP链接的最大乱序数阈值，能在数据完整性和内存空间占用方面都能达到最优效果。
相对于全局统一配置方式，本方法根据不同应用层协议的特点，可动态指定不同的TCP最大乱序包阈值，尽最大可能保证应用层数据的完整性，并在一定程度上节约内存资源。
附图说明
图1为典型应用场景示意图；
图2为TCP乱序数设置示意图；
图3为乱序数阈值与TCP数据完整率关系图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本方法适用的典型应用场景如图1所示，用户端Client和服务端Server通信，在经过的网络设备上做端口镜像或分光，将流量复制一份给DPI/IDS/NBA等设备，进行实时的深度数据包检测、网络行为分析等功能。
本方法在TCP链接刚建立时，通过分析应用层数据的特征，进行协议识别分类后，根据预先配置的不同协议的最大乱序包阈值，为每个TCP链接设置推荐阈值。
在TCP数据重组过程中，当有乱序包出现时，则先进行缓存，如果乱序个数超过推荐阈值，会放弃继续等待所期待的数据包，将已缓存的乱序报文全部交付上层业务处理。在乱序包处理过程中，如发现某协议类型的TCP连接数据无法重组完整，可以再次增大推荐阈值，最大不超过原有初始阈值的2倍，在尽最大努力保证应用层数据的完整性的同时，保证系统资源不被无限使用。
本发明的流程如图2所示，其步骤包括：
步骤101，TCP链接处理模块收到网络中的新到达数据包，提取IP头部的源IP、目的IP，及TCP头部的源端口、目的端口，即四元组信息，根据当前包的四元组信息在已存储的TCP流表中查找有无相同的四元组存在，如果没有则转至步骤102，否则转至步骤103；
步骤102，根据当前包的四元组信息，新建TCP流管理结构，调用应用层协议识别模块，根据数据包内容的特征，进行协议识别，例如：
HTTP协议的数据包头部特征:包含字符串GET，POST，PUT，CONNECT等；
POP3协议的数据包头部特征:包含字符串+OK，USER，PASS，STAT，LIST等；
根据协议识别的结果，划分为几大类别，如文件传输类、远程管理类、音视频类、聊天工具类等，并根据分类的结果，设置当前流的最大乱序数阈值。
协议分类与阈值的推荐值，是本发明人在几种不同网络环境下，通过大量实验和数据分析，得出的最佳推荐值，通常可保证TCP数据完整率达到99％以上，同时保证较低的内存占用率。
图3是本发明人在某运营商骨干网，分析旁路镜像流量，通过设置不同的TCP乱序数，统计TCP连接的数据重组完整率。当乱序阈值从小到大调整时，不同协议类型的完整率均有提高，但乱序数增长到一定程度之后，数据完整率的增长幅度极小。
注:横坐标为最大乱序数阈值，纵坐标为TCP数据重组完整率，蓝色曲线表示HTTP协议乱序数与数据完整率关系，红色曲线表示RTMP(一种流媒体传输协议)乱序数与数据完整率关系。
根据上述测试结果，可得设置如表1的协议的乱序数阈值推荐值:
表1 为协议类型-最大乱序数阈值对应表
协议类型 所属协议大类 推荐乱序数阈值
SSH，TELNET 远程管理类 5
HTTP 超文本传输类 10
RTMP,MMS,RTSP 音视频类 50
FTP 文件传输类 100
表1阈值为平均推荐值，并非固定不变，实际取值范围可再根据网络情况，如带宽、延时、丢包率等灵活调整，以达到最优效果。
设置完TCP链接的最大乱序数阈值后，跳转到步骤103。
步骤103，根据当前收到的数据包的序号，记为SEQ，与当前TCP链接期待到达的数据包序号，记为EXP_SEQ，做比较：
1)SEQ<EXP_SEQ，为重传包，直接丢弃，跳转至步骤109；
2)SEQ＝＝EXP_SEQ，转至步骤108；
3)SEQ>EXP_SEQ，跳转至步骤105；
步骤105，当前包为乱序包，判断已缓存的乱序包数量是否超过最大阈值，如果超过则转至步骤107，否则转至步骤106。
步骤106，将乱序数据包暂存到当前TCP链接的独立缓存区，将乱序数计数加1，等待下一个数据包到达，跳转至步骤109。
步骤107，当前TCP链接最大乱序数阈值不能满足实际需求，可再次增大阈值，目前针对所有协议类型均采用同一种自动调整机制：
假设当前TCP链接的乱序数推荐阈值为N，增加幅度为P％，考虑到乱序数达到一定值后，数据重组完整率提升并不明显，P的值不易过大，可设置为10，则调整后的阈值N’＝N*(1+10％)，N’的最大值为初始推荐值N的2倍，尽最大可能保证数据完整性，清空乱序包计数，跳转至步骤108。
步骤108，将收到的数据交付上层应用处理，跳转至步骤109。
步骤109，本次包处理流程结束。
以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种差异化TCP链接管理方法，其步骤包括：
TCP链接处理模块对当前TCP链接中的数据包，根据该数据包的四元组信息在TCP流表中查找匹配的四元组；
如果没有匹配的四元组，则根据该数据包的四元组信息在该TCP流表中新建一TCP流管理结构，根据该数据包的特征识别该TCP链接的协议类别并设置该TCP链接的最大乱序数阈值；
如果存在匹配的四元组，则根据该数据包的序号SEQ与该TCP链接期待到达的数据包序号EXP_SEQ做比较：如果SEQ<EXP_SEQ，则丢弃该数据包；如果SEQ＝＝EXP_SEQ，则将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理；如果SEQ>EXP_SEQ，则判定该数据包为该TCP链接的乱序包，如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量未超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则将该乱序包暂存到该TCP链接对应的缓存区并将乱序数计数加1；如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值；然后清空该TCP链接的乱序包计数并将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值的方法为：设调整前该TCP链接的最大乱序数阈值为N，每次调整增加幅度为P％；该TCP链接的最大乱序数阈值的最大值不超过该TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值的M倍。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增加幅度为P％为10％；所述M取值为2。
4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述协议类别包括文件传输类、远程管理类、音视频类、聊天工具类。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据协议类型-最大乱序数阈值对应表设置TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值；其中，协议类型为远程管理类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为5；协议类型为超文本传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为10；协议类型为音视频类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为50；协议类型为文件传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为100。
6.一种差异化TCP链接管理设备，其特征在于，包括TCP链接处理模块、应用层协议识别模块；其中，
所述应用层协议识别模块，用于根据TCP链接中的数据包的特征识别该TCP链接的协议类别；
所述TCP链接处理模块，用于提取当前TCP链接中的数据包的四元组，并根据数据包的四元组信息在TCP流表中查找匹配的四元组；如果没有匹配的四元组，则根据该数据包的四元组信息在该TCP流表中新建一TCP流管理结构，并设置该TCP链接的最大乱序数阈值及其协议类型；如果存在匹配的四元组，则根据该数据包的序号SEQ与该TCP链接期待到达的数据包序号EXP_SEQ做比较：如果SEQ<EXP_SEQ，则丢弃该数据包；如果SEQ＝＝EXP_SEQ，则将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理；如果SEQ>EXP_SEQ，则判定该数据包为该TCP链接的乱序包，如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量未超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则将该乱序包暂存到该TCP链接对应的缓存区并将乱序数计数加1；如果已缓存的该TCP链接的乱序包数量超过该TCP链接对应的最大乱序数阈值，则增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值；然后清空该TCP链接的乱序包计数并将收到的该TCP链接的数据交付上层应用处理。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述TCP链接处理模块根据公式N’＝N*(1+10％)增大该TCP链接对应的最大乱序数阈值；其中，N为该TCP链接的调整前的最大乱序数阈值，P％为每次调整增加幅度；该TCP链接的最大乱序数阈值的最大值不超过该TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值的M倍。
8.如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述TCP链接处理模块根据协议类型-最大乱序数阈值对应表设置TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值；其中，协议类型为远程管理类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为5；协议类型为超文本传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为10；协议类型为音视频类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为50；协议类型为文件传输类的TCP链接的最大乱序数阈值的初始推荐值为100。
9.如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述设备与TCP链接经过的网络设备连接，用于从该网络设备接收该TCP链接的端口镜像数据或分光数据。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备为深度包检测设备DPI、入侵检测系统IDS或网络行为分析设备NBA。
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