CN110417675A - 一种soc下高性能探针的网络分流方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种SOC下高性能探针的网络分流方法、装置及系统。所述方法包括接收下发的分流规则并与应用程序绑定；在网卡收到报文，按照分流规则进行报文分流；完成网络流量数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出关联的应用程序组并唤醒应用程序；被唤醒的应用程序接收报文并处理；统计应用程序收到的报文流量，当发现负载不均衡时，自动调整分流策略。所述装置包括绑定模块、分流模块、唤醒模块、处理模块、负载均衡模块。所述系统包括装置。本发明无需对网卡驱动进行修改，能更细粒度的控制流量分流，更早过滤无用流量，自适应的动态调整分流规则使得负载平衡，充分发挥多核CPU的能力，从而有效提高网络流量采集和审计的吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种能更细粒度的控制流量分流，更早过滤无用流量，自适应的动态调整分流规则使得负载平衡，充分发挥多核CPU的能力，从而有效提高网络流量采集和审计吞吐量的SOC下高性能探针的网络分流方法、装置及系统。
背景技术
网络探针是一种进行网络数据采集、分析、审计、监控的硬件设备，因为其数量多，价格要求低，所以采用SOC系统，然而随着互联网的高速发展，网络运营商带宽的不断提高，网络流量不断增加，网络审计和监控的需求越来越多，SOC网络探针在高流量下完成网络数据采集就会产生流量丢失的现象，迫切需要一种新的方式来解决这个问题。
网络数据采集的传统实现方式有：
方式一：使用开源库libpcap、af_packet、nfqueue、内存映射等技术进行采集抓包，然后对流量分流，将分流后的各个流量关联到多线程或者多进程上，最后分别进行审计或者监控。
方式二：使用netmap、DPDK开源库进行采集，然后对流量分流，最后完成审计或者监控。
在SOC系统中，其价格低廉，CPU可能是多核，但是核数不是很多，比如2～4核，上述的方式存在如下缺点；
方式一既不依赖于特定硬件，又能充分发挥多核CPU的能力，但是网络流量分流算法实现在用户态，导致无用的流量被复制，性能低下，在高流量的时候会出现流量丢失问题。
方式二性能高，但是对硬件型号有要求，硬件通用性差，无法用于多数SOC系统上。采用DPDK方案时，采集所绑定的CPU核具有独占性，无法被linux操作系统所调度，这样在空闲时，此CPU核也无法充分利用，另外后端应用软件通用性差。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种能更细粒度的控制流量分流，更早过滤无用流量，自适应的动态调整分流规则使得负载平衡，充分发挥多核CPU的能力，从而有效提高网络流量采集和审计吞吐量的SOC下高性能探针的网络分流方法；第二目的在于提供一种SOC下高性能探针的网络分流装置；第三目前在于提供一种SOC下高性能探针的网络分流系统。
本发明的第一目的是这样实现的：包括规则绑定、分流、唤醒、报文处理、负载均衡步骤，具体包括：
A、规则绑定：接收下发的分流规则，将接收到的分流规则与应用程序绑定；
B、分流：在网卡驱动收到报文后，按照分流规则进行报文分流，并采集、汇聚和/或过滤网络流量的输入数据；
C、唤醒：在完成网络流量输入数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出到分流规则关联的应用程序组，并唤醒该应用程序组的应用程序；
D、报文处理：被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
E、负载均衡：实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现负载不均衡时，根据WRR算法自动动态调整分流策略，将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
本发明的第二目的是这样实现的：包括
绑定模块：用于接收下发的分流规则，将接收到的分流规则与应用程序绑定；
分流模块：用于在网卡驱动收到报文后，按照分流规则进行报文分流，并采集、汇聚或过滤网络流量输入数据；
唤醒模块：用于在完成网络流量输入数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出到分流规则关联的应用程序组，并唤醒该应用程序组的应用程序；
处理模块：用于控制被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
负载均衡模块：用于实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现负载不均衡时，根据WRR算法自动动态调整分流策略，将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
本发明的第三目的是这样实现的：包括SOC下高性能探针的网络分流装置。
本发明的有益效果：
1、本发明通过按照分流规则进行分流，而分流规则对于不同的硬件设备情况，对于用户不同的流量可进行配置和定制。因此，当硬件设备不同时，可通过自动探测硬件，获取硬件的各种资源比如CPU和内存，然后能够自动给出一般的分流规则；当然，专家级用户能根据自身流量情况，通过配置文件进行配置，从而可以适应充分利用多核心CPU的能力。
2、本发明的分流规则的要素非常丰富，从而可以对网络流量的报文进行细粒度的控制，避免了传统硬件RSS使用单一函数，比如五元组无法对报文进行细粒度控制的问题。
3、本发明在网卡驱动收到报文后，通过按照分流规则进行报文分流，无用的流量可以及早被过滤掉，减轻了后续的负载，避免了现有技术中的网络流量分流方法实现在用户态，导致无用的流量被复制，性能低下，在高流量的时候会出现流量丢失问题。
4、本发明通过负载均衡步骤，能够自动将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序，通过这种正反馈、自适应的方法，从而能够实现负载的均衡输出，从而有效提高网络分流的采集和审计吞吐量，最终达到提高性能的目的。
5、本发明的网络探针置于网卡的软中断与协议栈之间，通过执行分流规则实现网络分流，因此无需对网卡驱动进行修改，后端应用软件的通用性较好。
附图说明
图1为本发明之网络分流方法的流程示意图；
图2为本发明之网络分流装置原理结构示意图；
图3为实施例的网络分流原理示意图；
图2中“——”为网络报文流向线，“……”为控制线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明之SOC下高性能探针的网络分流方法，包括规则绑定、分流、唤醒、报文处理、负载均衡步骤，具体包括：
A、规则绑定：接收下发的分流规则，将接收到的分流规则与应用程序绑定；
B、分流：在网卡驱动收到报文后，按照分流规则进行报文分流，并采集、汇聚和/或过滤网络流量的输入数据；
C、唤醒：在完成网络流量输入数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出到分流规则关联的应用程序组，并唤醒该应用程序组的应用程序；
D、报文处理：被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
E、负载均衡：实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现负载不均衡时，根据WRR算法自动动态调整分流策略，将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
所述应用程序组及应用程序是用户态的程序，当使用API中的接口将分流规则与应用程序句柄进行绑定后，应用程序就可以收到相应的流量。
优选的，所述分流规则的形式为：
T(A1,A2…Ai)＝PGx
其中：Ai，i∈[1,n]是网络流量的不同属性，对特定属性组合的网络流量确定一个特定的应用程序组PGx，在这个组内，以TCP/UDP流为单位，按照WRR算法，依次将网络流量分配到应用程序组内不同的应用程序中。
优选的，所述分流规则中每一条规则指定了网络流量的n个属性的特定组合到特定应用程序组的映射关系，所述n个属性包括网络协议参考模型中2层到7层的属性、安全流量属性。
优选的，所述网络协议参考模型中2层到7层的各种属性包括源MAC、目的MAC、源IP、目的IP、源端口、目的端口、4层协议、7层协议、7层特征码、HTTP协议中的GET类别、POST类别中的任意一种或任意组合，所述安全流量属性包括漏洞扫描日志标记、操作系统日志标记、DB日志标记、HIDS/NIDS消息标记中的任意一种或任意组合。
优选的，所述A步骤中，在系统启动或系统配置文件发生变更时，下发分流规则，并将分流规则与应用程序的绑定。
优选的，所述B步骤中，在网卡驱动收到报文后，按照分流规则解析报文，获取报文各层的信息，查找相应的分流规则，若查找到分流规则，将报文放到分流规则所对应的应用程序组句柄的队列中，然后汇聚输出。
优选的，所述B步骤中，若没有查找到分流规则，则将报文丢弃。
优选的，所述C步骤中，当应用程序组句柄的队列中汇聚的数量或者时间到达一个规定值时，唤醒对应的应用程序组中的应用程序。
优选的，所述E步骤中，实时统计各个应用程序所处理报文的报文字节数、报文数、bps、pps和/或CPU负载情况，当发现应用程序统计的超过预设的阈值时，根据WRR算法动态调整分流策略，然后根据调整后的策略，自动将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
如图2所示，本发明之SOC下高性能探针的网络分流装置，包括
绑定模块：用于接收下发的分流规则，将接收到的分流规则与应用程序绑定；
分流模块：用于在网卡驱动收到报文后，按照分流规则进行报文分流，并采集、汇聚或过滤网络流量输入数据；
唤醒模块：用于在完成网络流量输入数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出到分流规则关联的应用程序组，并唤醒该应用程序组的应用程序；
处理模块：用于控制被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
负载均衡模块：用于实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现负载不均衡时，根据WRR算法自动动态调整分流策略，然后将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
优选的，所述分流模块用于在网卡驱动收到报文后，按照分流规则解析报文，获取报文各层的信息，查找相应的分流规则，若查找到分流规则，将报文放到分流规则所对应的应用程序组句柄的队列中，然后汇聚输出。
本发明之SOC下高性能探针的网络分流系统，包括上述SOC下高性能探针的网络分流装置。
实施例
如图3所示，实施例中各个角色的作用如下：
管理进程：是进行网络分流的全局管理控制的进程，用于设置分流的模式和分流规则。
应用程序/应用程序组：是用户态的程序，当使用API中的接口将分流规则与应用程序的句柄进行绑定后，应用程序就可以收到相应的流量。
分流组件：在内核中，位于网卡软中断与协议栈之间，是运行分类规则的载体，用于接收并保存管理程序发来的模式、分流规则，根据分类规则将流量分发给应用程序。
S100：管理程序在系统启动或是配置文件发生变更时，调用API接口下发分流规则给分流组件，分流组件完成分流规则与应用程序的绑定。
分流规则的形式为：
T(A1,A2…Ai)＝PGx
其中：Ai，i∈[1,n]是网络流量的不同属性，分流组件对特定属性组合的网络流量确定一个特定的应用程序组PGx，在这个应用程序组内，分流组件以TCP/UDP流为单位，按照WRR算法，依次将网络流量分配到应用程序组内不同的应用程序中。
上述分流规则中每一条规则指定了网络流量的n个属性的特定组合到特定应用程序组的映射关系，所述n个属性包括网络协议参考模型中2层到7层的属性，如源MAC、目的MAC、源IP、目的IP、源端口、目的端口、4层协议、7层协议、7层特征码、HTTP协议中的GET类别、POST类别等中的任意一种或任意几种的组合，以及安全流量属性，如漏洞扫描日志标记、操作系统日志标记、DB日志标记、HIDS/NIDS消息标记等中的任意一种或任意几种的组合。属性的选择及n的确定，由实际的源数据类型及应用程序组的能力决定。
S200：网卡驱动收到报文后，分流组件按照分流规则解析报文，获取报文各层的信息，查找相应的分流规则，如果查找到相应的分流规则，将报文放到分流规则所对应的应用程序组句柄的队列中，然后汇聚输出。如果没有查找到规则，则将报文丢弃。
S300：当应用程序组句柄的队列中汇聚的报文数量或者时间到达一个规定值时，唤醒对应的应用程序组中的应用程序。
S400：被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
S500：实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现某个应用程序组内应用程序出现负载异常偏大时，则在这个组内启动自适应流量均衡算法：
设某个组内共有m个不同的应用程序，实时统计得到的各个应用程序的负载指标为Lj，j∈[1,m]，组内所有应用用程序负载指标的标准差为σ，平均值为AL，如果Lj－AL＞3σ，那就将该组内第j个应用程序作为异常节点，调整其在加权轮询WRR算法中的权重。
然后根据上述WRR算法调整后的应用程序权重，自动将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
Claims (10)
1.一种SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于包括规则绑定、分流、唤醒、报文处理、负载均衡步骤，具体包括：
A、规则绑定：接收下发的分流规则，将接收到的分流规则与应用程序绑定；
B、分流：在网卡驱动收到报文后，按照分流规则进行报文分流，并采集、汇聚和/或过滤网络流量的输入数据；
C、唤醒：在完成网络流量输入数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出到分流规则关联的应用程序组，并唤醒该应用程序组的应用程序；
D、报文处理：被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
E、负载均衡：实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现负载不均衡时，根据WRR算法自动动态调整分流策略，将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
2.根据权利要求1所述SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于所述分流规则的形式为：
T(A1,A2…Ai)＝PGx
其中：Ai，i∈[1,n]是网络流量的不同属性，对特定属性组合的网络流量确定一个特定的应用程序组PGx，在这个组内，以TCP/UDP流为单位，按照WRR算法，依次将网络流量分配到应用程序组内不同的应用程序中。
3.根据权利要求2所述SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于所述分流规则中每一条规则指定了网络流量的n个属性的特定组合到特定应用程序组的映射关系，所述n个属性包括网络协议参考模型中2层到7层的属性、安全流量属性。
4.根据权利要求3所述SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于所述网络协议参考模型中2层到7层的各种属性包括源MAC、目的MAC、源IP、目的IP、源端口、目的端口、4层协议、7层协议、7层特征码、HTTP协议中的GET类别、POST类别中的任意一种或任意组合，所述安全流量属性包括漏洞扫描日志标记、操作系统日志标记、DB日志标记、HIDS/NIDS消息标记中的任意一种或任意组合。
5.根据权利要求1、2、3或4所述SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于所述B步骤中，在网卡驱动收到报文后，按照分流规则解析报文，获取报文各层的信息，查找相应的分流规则，若查找到分流规则，将报文放到分流规则所对应的应用程序组句柄的队列中，然后汇聚输出。
6.根据权利要求5所述SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于所述C步骤中，当应用程序组句柄的队列中汇聚的数量或者时间到达一个规定值时，唤醒对应的应用程序组中的应用程序。
7.根据权利要求5所述SOC下高性能探针的网络分流方法，其特征在于所述E步骤中，实时统计各个应用程序所处理报文的报文字节数、报文数、bps、pps和/或CPU负载情况，当发现应用程序统计的超过预设的阈值时，根据WRR算法动态调整分流策略，然后根据调整后的策略，自动将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
8.一种SOC下高性能探针的网络分流装置，其特征在于包括
绑定模块：用于接收下发的分流规则，将接收到的分流规则与应用程序绑定；
分流模块：用于在网卡驱动收到报文后，按照分流规则进行报文分流，并采集、汇聚或过滤网络流量输入数据；
唤醒模块：用于在完成网络流量输入数据的采集、汇聚或过滤后，将报文输出到分流规则关联的应用程序组，并唤醒该应用程序组的应用程序；
处理模块：用于控制被唤醒的应用程序接收报文并进行审计、监控和/或统计；
负载均衡模块：用于实时统计各个应用程序所收到的报文流量，当发现负载不均衡时，根据WRR算法自动动态调整分流策略，将接收到的网络流量动态调整分发到不同的应用程序。
9.根据权利要求8所述SOC下高性能探针的网络分流装置，其特征在于所述分流模块用于在网卡驱动收到报文后，按照分流规则解析报文，获取报文各层的信息，查找相应的分流规则，若查找到分流规则，将报文放到分流规则所对应的应用程序组句柄的队列中，然后汇聚输出。
10.一种SOC下高性能探针的网络分流系统，包括权利要求8或9所述SOC下高性能探针的网络分流装置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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