CN112732462B - 基于netmap网卡驱动防止网卡重启的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法,包括步骤如下:S1、扫描全部网卡设备,从中筛选全部实际物理网卡,并记录网卡名;S2、根据NETMAP驱动API,提取每个网卡的队列数;S3、根据检测到的网卡中断,提取所述每个中断网卡的每个队列的中断号;S4、根据所述全部网卡个数和每个网卡的队列数,为每个网卡的每个队列开启一个线程;S5、根据队列和CPU的亲和特性,将该网卡队列的新线程和网卡中断的CPU号进行绑定;S6、每个线程开始NETMAP收发队列的转发工作,仅仅只需要转发,不需要做其他任何的处理;S7、开启新线程,用于监测打开NETMAP驱动的其他应用。本方法在启用NETMAP作为捕获数据包的驱动引擎的时候,应用程序启动稳定,网络数据包不容易丢失,网络运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及网络安全、设备驱动技术领域,具体为基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法。针对防火墙高性能零拷贝采包引擎防止网卡重启的方法,也适用于使用NETMAP作为网卡驱动的全部设备。
背景技术
NETMAP是当前防火墙、IDS、IPS等网络安全产品通用的高速采集数据包的网卡驱动,通过将网卡驱动的DMA映射到用户态,减少了数据包从内核到用户态数据包的拷贝次数,从而大幅度提升性能。
应用程序在启用NETMAP作为捕获数据包的驱动引擎的时候,应用程序根据设置,可能会出现反复重启的情况。在这种情况下就会导致网卡反复重启,从而造成网络数据包反复丢失。
网络出现频繁抖动,在金融、航天等要求较高的行业中网络数据包的丢失会造成业务的重大损失,网卡的频繁重启也会造成上下直连的交换机或者路由器监测到,一旦监测到对端网卡重启,这些互联设备会立即发出告警,上报该网络事故,在某些场景下,网卡重启会作为重大事故处理。
发明内容
本发明的目的在于提供基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法,以解决应用程序在使用NETMAP作为捕获数据包驱动出现网卡重启的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下设计思路:通过占用设备上的全部网卡的全部收队列或者发队列,让其每个队列的默认计数不为0,网卡驱动检测队列计数不为0则不会重启网卡。
本发明提供一种基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法,包括以下步骤:
S1、扫描全部网卡设备,从中筛选全部实际物理网卡,并记录网卡名;
S2、根据NETMAP驱动API,提取每个网卡的队列数;
S3、根据检测到的网卡中断,提取所述每个中断网卡的每个队列的中断号;
S4、根据所述全部网卡个数和每个网卡的队列数,为每个网卡的每个队列开启一个线程;
S5、根据队列和CPU的亲和特性,将该网卡队列的新线程和网卡中断的CPU号进行绑定;
S6、每个线程开始NETMAP收发队列的转发工作,仅仅只需要转发,不需要做其他任何的处理;
S7、开启新线程,用于监测打开NETMAP驱动的其他应用。
优选的,一旦NPSYNC正常运行最终将会进入到状态机中,状态机负责具体的转换工作。
优选的,NPSYNC状态机,由探测线程负责修改工作线程的转化条件。如果探测线程探测到工作线程监测的网卡队列被其他应用程序打开,那么探测线程将通知该工作线程停止转发,工作线程进入到睡眠状态,如果探测线程探测到工作线程监测的网卡队列没有被其他程序打开或者被其他程序关闭,那么探测线程将唤醒该工作线程开始高速转发。
优选的,为了能够保证转发线程和其他应用程序在交接对网卡队列的操作的时候不出现因为延时导致的数据包丢失,为此探测线程必须在应用程序准备开始接管网卡队列转发或者放弃网卡队列转发的瞬间探测到,在NETMAP驱动中安装一个网卡队列监测线程,专门负责监测网卡队列是否处于转发状态。监测线程一旦发现网卡队列被其他应用程序运行则同步通探测线程,探测线程通知工作线程进入到睡眠状态,自动放弃转发数据包,一旦发现其他应用程序停止转发,则会同步通知监测线程立即唤醒工作线程开启数据包高速转发,防止丢包。
有益效果
本发明提供了基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法,具备以下有益效果:
本方法应用程序在启用NETMAP作为捕获数据包的驱动引擎的时候,应用程序启动稳定,网络数据包不容易丢失,网络运行稳定。
附图说明
图1为本发明的基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法的流程图;
图2是本发明一个实施例中,通过执行命令提取该系统的全部网络设备的结果示意图;
图3是本发明一个实施例中,通过执行命令验证该网卡的队列数的结果示意图;
图4是本发明一个实施例中,通过执行命令获取每个网卡队列对应中断在每个CPU上的分布的结果示意图;
图5是本发明一个实施例中,在图4中方框示意的所提取的4个队列的对应的中断编号;
图6是本发明一个实施例中,通过执行命令获取该中断的对应的CPU的结果的示意图;
图7是本发明一个实施例中,查看NETMAP的驱动引用计数的示意图;
图8是本发明的NPSYNC状态机示意图;
图9是本发明一个实施例中,新线程监测打开NETMAP驱动的其他应用的原理流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明通过安装辅助应用程序(下文称作NPSYNC)来达到防止网卡重启的技术效果。具体实施方式如下:
如图1,本发明所述基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法流程如下:
S1、扫描全部网卡设备,从中筛选全部实际物理网卡,并记录网卡名。
一台基于Linux操作系统的防火墙,它有4个网卡,通过cat/proc/net/dev命令提取该系统的全部网络网卡设备。
提取结果如图2所示,从图2中我们可以看到,提取出来的网卡设备种类和参数很多。接着,我们从提取的设备中剔除lo、bridge等虚拟网卡设备,留下实际的物理网卡设备。记录这些实际物理网卡设备名称,最终输出为:eth0、eth1、eth2、eth3。
S2、根据NETMAP驱动API,提取每个网卡的队列数。
例如,在所提取的eth0网卡,通过调用ioctl(fd,NIOCGINFO,&req)API,获取驱动反馈信息,来提取网卡队列数,参数说明:
参数1:Fd是打开设备的文件描述符:fd=open(“eth0”,O_RDWR);
参数2:获取网卡信息的固定指令;
参数3:驱动会将网卡的队列数据填充反馈给用户的具体数据结构;
ioctl执行成功之后,通过req.nr_rx_rings可以获取该网卡支持的队列数为4。
优选的,通过命令ethtool-l eth0可以验证该网卡的队列数。如图3所示,执行命令ethtool-l eth0,得到验证的eth0的网卡的队列数为4个(即,图3中,“Combined:4”)。
S3、根据检测到的网卡中断,提取所述每个中断网卡的每个队列的中断号。
例如:继续提取eth0的网卡的全部队列中断号。
通过执行cat/proc/interrupts命令可以获取每个网卡队列对应中断在每个CPU上的分布,结果如图4所示。从图4中我们可以看到eth0的4个队列中断在CPU0-CPU3上的中断分布图。
其中,见图4中方框示意,所提取的4个队列的对应的中断编号如图5所示。
S4、根据所述全部网卡个数和每个网卡的队列数,为每个网卡的每个队列开启一个线程。
S5、根据队列和CPU的亲和特性,将该网卡队列的新线程和网卡中断的CPU号进行绑定。
CPU亲和特性是一种调度属性(scheduler property),它可以将一个进程“绑定”到一个或一组CPU上。在SMP(Symmetric Multi-Processing对称多处理)架构下,Linux调度器(scheduler)会根据CPU affinity的设置让指定的进程运行在“绑定”的CPU上,而不会在别的CPU上运行。Linux调度器同样支持自然CPU亲和性(natural CPU affinity):调度器会试图保持进程在相同的CPU上运行,这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移,进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。可以设置程序手动地为调度器分配CPU核,而不会过多地占用CPU0,而非使关键进程和其他进程挤在一起,因此,设置CPU亲和性可以使某些程序提高性能。
在本发明中,例如:绑定eth0的0号队列,通过步骤S1~S3,得到eth0的0号队列对应的中断为29。通过命令cat/proc/irq/29/smp_affinity获取该中断的对应的CPU,如图5所示。
如图6,eth0的0号队列对应的CPU为4,通过调用以下API,将应用程序绑定到4号CPU上。
cpu_set_t cpuset//定义变量
CPU_ZERO(&cpuset);//清空变量
CPU_SET(cpunum,&cpuset)//填充变量,将4号CPU赋值到结构体
pthread_setaffinity_np(thid,sizeof(cpu_set_t),&cpuset)//执行绑定
参数thidt:thid线程pid;
参数sizeof(cpu_set_t):3号参数大小,此值固定;
参数&cpuset:绑定参数。
S6、每个所述新线程开始NETMAP收发队列的转发工作;
该步骤仅仅只需要转发,不需要做其他任何的处理。
图7是本发明一个实施例中,查看NETMAP的驱动引用计数的示意图。
只要NETMAP的驱动引用计数不为1(开机驱动加载除外),则其NETMAP驱动就不会重启网卡,这是NETMAP驱动自带的原理。
S7、开启新线程,用于监测打开NETMAP驱动的其他应用。
此新线程是为了能够保证转发线程和其他应用程序在交接对网卡队列的操作的时候不出现因为延时导致的数据包丢失的情况。为此,探测线程必须在应用程序准备开始接管网卡队列转发或者放弃网卡队列转发的瞬间探测到,可以在NETMAP驱动中安装一个网卡队列监测线程,专门负责监测网卡队列是否处于转发状态。
一旦发现网卡队列被其他应用程序运行则同步通探测线程,探测线程通知工作线程进入到睡眠状态,自动放弃转发数据包,一旦发现其他应用程序停止转发,则会同步通知监测线程立即唤醒工作线程开启数据包高速转发,防止丢包。
即,NPSYNC设计工作原理:系统开机时,没有任何其他程序打开NETMAP驱动,每个队列计数均为0。在该场景下,通过占用设备上的全部网卡的全部“收队列”或者“发队列”,让其每个队列的默认计数不为0,网卡驱动检测队列计数不为0则不会重启网卡。其中,一旦NPSYNC正常运行,最终将会进入到状态机中,状态机负责具体的转换工作。
本发明的NPSYNC状态机的状态转换方式,如图8。由探测线程负责修改工作线程的转化条件,如果探测线程探测到工作线程监测的网卡队列被其他应用程序打开,那么探测线程将通知该工作线程停止转发,工作线程进入到睡眠状态,如果探测线程探测到工作线程监测的网卡队列没有被其他程序打开或者被其他程序关闭,那么探测线程将唤醒该工作线程开始高速转发。
为了能够保证转发线程和其他应用程序在交接对网卡队列的操作的时候不出现因为延时导致的数据包丢失,为此探测线程必须在应用程序准备开始接管网卡队列转发或者放弃网卡队列转发的瞬间探测到,可以在NETMAP驱动中安装一个图9所示的网卡队列监测线程,专门负责监测网卡队列是否处于转发状态,一旦发现网卡队列被其他应用程序运行则同步通探测线程,探测线程通知工作线程进入到睡眠状态,自动放弃转发数据包,一旦发现其他应用程序停止转发,则会同步通知监测线程立即唤醒工作线程开启数据包高速转发,防止丢包。
以上,基于NETMAP网卡驱动防止网卡重启的方法,可以通过安装实现上述方法步骤的应用程序来实现。
本发明实施例提供的应用程序的运行控制装置,其实现方式可以参照上述方法实施例的说明,未尽之处不再赘述。
本发明实施例提供了一种计算机设备,其包括处理器和存储器:存储器用于存储执行上述任意实施例中的方法的程序;处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
本发明实施例提供的计算机设备可以是上述的个人计算机,也可以是上述的移动终端。以个人计算机为例,其存储器可以但不仅限于是指CPU寄存器、高速缓冲存储器、内存储器和磁盘,外加远程存储系统共同构成的存储体系。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现上述任意实施例中的方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统,装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统,装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:只读存储器(ROM,Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种计算机设备进行了详细介绍,对于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种防止网卡重启的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、扫描全部网卡设备,从中筛选全部实际物理网卡,并记录网卡名;
S2、根据NETMAP驱动API,提取每个网卡的队列数;
S3、根据检测到的网卡中断,提取每个中断的网卡的每个队列的中断号;
S4、根据所述全部实际物理网卡的个数和每个网卡的队列数,为每个网卡的每个队列开启一个线程;
S5、根据所述每个网卡的每个队列和CPU的亲和特性,将该网卡队列的新线程和网卡中断的CPU号进行绑定;
S6、每个线程开始NETMAP收发队列的转发工作,仅仅只需要转发,不需要做其他任何的处理;
其中,NPSYNC状态机,由探测线程负责修改工作线程的转化条件;
如果探测线程探测到工作线程监测的网卡队列被其他应用程序打开,那么探测线程将通知该工作线程停止转发,工作线程进入到睡眠状态;
如果探测线程探测到工作线程监测的网卡队列没有被其他程序打开或者被其他程序关闭,那么探测线程将唤醒该工作线程开始高速转发;
S7、开启新线程,用于监测打开NETMAP驱动的其他应用;
其中,通过占用设备上的全部网卡的全部收队列或者发队列,让其每个队列的默认计数不为0;网卡驱动检测队列计数不为0,则不会重启网卡。
2.根据权利要求1所述的防止网卡重启的方法,其特征在于,一旦NPSYNC正常运行最终将会进入到状态机中,状态机负责具体的转换工作。
3.根据权利要求2所述的防止网卡重启的方法,其特征在于,为了能够保证转发线程和其他应用程序在交接对网卡队列的操作的时候不出现因为延时导致的数据包丢失,为此探测线程必须在应用程序准备开始接管网卡队列转发或者放弃网卡队列转发的瞬间探测到,在NETMAP驱动中安装一个网卡队列监测线程,专门负责监测网卡队列是否处于转发状态。
4.根据权利要求3所述的防止网卡重启的方法,其特征在于,监测线程一旦发现网卡队列被其他应用程序运行则同步通探测线程,探测线程通知工作线程进入到睡眠状态,自动放弃转发数据包,一旦发现其他应用程序停止转发,则会同步通知监测线程立即唤醒工作线程开启数据包高速转发,防止丢包。
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