畢業(yè)設(shè)計(jì)英文文獻(xiàn)中文翻譯_TCP分離器_基于可重構(gòu)硬件的TCPIP流量監(jiān)控

1、TCP分離器：基于可重構(gòu)硬件的TCP/IP流量監(jiān)控David V. Schuehler John Lockwood應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室 ，華盛頓大學(xué)dvs1, 摘要TCP / IP是互聯(lián)網(wǎng)上最常用的協(xié)議。它利用網(wǎng)絡(luò)為幾乎所有的應(yīng)用程序提供了一個可靠的傳輸。這些措施包括 Web 瀏覽器，F(xiàn)TP、 Telnet、 Secure Shell 和其他應(yīng)用程序。新型的路由器需要對流過此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的TCP / IP數(shù)據(jù)流進(jìn)行檢查。本文介紹了TCP的分離器，一種基于可重構(gòu)硬件的解決方案，用于在多千兆線速下對TCP / IP流進(jìn)行分析和處理。一致的字節(jié)流通過TCP -分離器傳

2、遞到每一個TCP / IP連接的客戶端應(yīng)用程序。為了保持一個負(fù)載小，效率高，并且能夠處理以千兆線速傳輸?shù)膸缀鯚o限數(shù)量流量的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用非被動流處理算法。1 動機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，目前業(yè)務(wù)普及的是OC - 48（出2.5Gb / s）的線路速率，而較快的OC - 192（10Gb / s的）和OC - 768（的40Gb / s）網(wǎng)絡(luò)則還在起步階段。與此同時，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的數(shù)量還在持續(xù)增加。關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)通訊故障的研究指出，因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)包的 85%以上都是在傳輸控制協(xié)議 (TCP) / 基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP)818。 新類型的網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)要求對TCP / IP頭及其有效載荷都能進(jìn)行掃描和有效的處理

3、。為了使有效載荷掃描率很高，就需要一種在硬件中處理TCP / IP數(shù)據(jù)的新方法。1.1 TCP/IP 監(jiān)視器的相關(guān)工作只要對網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進(jìn)行過監(jiān)控,協(xié)議分析儀和數(shù)據(jù)包捕獲程序也就工作過。這些工具提供的捕捉和保存大容量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的功能。方案如tcpdump允許TCP數(shù)據(jù)包捕獲和存儲13。這些工具在監(jiān)測低帶寬速率的數(shù)據(jù)時工作正常，但這些方案的性能是有限的，因?yàn)樗麄兪窃谲浖袌?zhí)行。因此需要對這些工具進(jìn)行后處理，以便重建TCP數(shù)據(jù)流。HTTPDUMP是用來捕捉和存儲以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的超文本傳輸協(xié)議（HTTP）通信17，但由于處理HTTP流量所帶來的額外的過濾的邏輯，這比tcpdump需要更多的處理，運(yùn)行速度

4、也因此更慢。PacketScope開發(fā)的ATT上，能夠監(jiān)視通信量大得多的網(wǎng)絡(luò)，但仍然依靠tcpdump的能力來執(zhí)行包捕獲1。BLT利用了PacketScope執(zhí)行鏈接線速度超過100Mbps的4的HTTP監(jiān)視。這個工具并不能確保所有的數(shù)據(jù)包都被處理，而是試圖通過捕捉高比例的HTTP流量來獲取有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議掃描引擎是另一個基于TCP / IP監(jiān)視器5的軟件。通常，只有頭信息被捕獲并寫入一個日志文件中的TCP流內(nèi)容。該方案還有性能的限制，從而不能進(jìn)行高帶寬流量的監(jiān)測。基于群集的在線監(jiān)測系統(tǒng)與Web請求相關(guān)時能夠更好地捕獲數(shù)據(jù) 12。當(dāng)多個分析引擎并行工作時，其他系統(tǒng)的性能會得到相關(guān)改善，但

5、在100Mbps的網(wǎng)絡(luò)上即使同時運(yùn)行八個分析引擎，數(shù)據(jù)流量也不能一直維持監(jiān)控狀態(tài)。這些解決方案都不能在超過1 Gbps的數(shù)據(jù)速率的高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工作，也不能保證對網(wǎng)絡(luò)上每個字節(jié)的數(shù)據(jù)的處理。一個能跟蹤能夠重組緩沖區(qū)的引擎的TCP狀態(tài)已被Necker等人14開發(fā)。本研究的重點(diǎn)是檢測入侵并跟蹤TCP / IP處理單個連接的狀態(tài)。有限緩沖區(qū)也進(jìn)行重組。該解決方案采用了類似的硬件環(huán)境，并能夠以等同于TCP的分配器的線速率處理數(shù)據(jù)。通過實(shí)例化多個處理電路，最多30個TCP / IP連接，可以在一個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）上被同時監(jiān)控。1.2 基于硬件的TCP / IP處理一個實(shí)現(xiàn)通信終端的完整TCP

6、 / IP協(xié)議棧硬件將非常有益。不幸的是，有些問題使得在硬件上全面實(shí)施一個TCP / IP協(xié)議棧顯得不切實(shí)際。這些問題包括：（1）眾多TCP定時器的需要，（2）用于重組緩沖器的大型存儲器的需要，以及（3）需要支持大量的連接。一個支持TCP流量監(jiān)測的電路已經(jīng)被開發(fā)了。而不是作為一些TCP連接數(shù)的連接端點(diǎn)代理，TCP分離器通過網(wǎng)絡(luò)硬件傳遞來監(jiān)視所有的TCP流量。此技術(shù)在實(shí)施TCP協(xié)議端點(diǎn)上有許多優(yōu)勢。為了能夠提供給客戶端應(yīng)用程序一種數(shù)據(jù)設(shè)置的可靠傳輸，TCP連接只需要確定，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)備進(jìn)行傳輸。保證交付的大部分工作是由TCP端點(diǎn)管理，而不是由網(wǎng)絡(luò)上的硬件邏輯。這消除了需要在可重構(gòu)硬件實(shí)現(xiàn)一個

7、復(fù)雜的協(xié)議棧，因?yàn)檗D(zhuǎn)播邏輯仍然是連接端點(diǎn)上，而不在活動網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上。2背景現(xiàn)代現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）與一百萬門容量的ASIC大約等同，有幾百千字節(jié)的片上內(nèi)存，并且以50MHz至200MHz的速度工作。通過放置在一個高速網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)路徑上， FPGA可用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理功能。在華盛頓大學(xué)的應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）已研制成熟一個作為高速網(wǎng)絡(luò)研究平臺的華盛頓大學(xué)千兆交換機(jī)（WUGS）19。這種硬件，隨著現(xiàn)場可編程端口擴(kuò)展（FPX），已作為試驗(yàn)平臺使用于此項(xiàng)目11。FPX所開發(fā)的分層協(xié)議的封裝3 的組件，已被用來作為這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)。這些封裝已被開發(fā)來處理可編程邏輯的高層次的數(shù)據(jù)包。這些封裝包括A

8、TM 單元格封裝，一幀的AAL5封裝，IP封裝和UDP封裝。這種封裝器允許客戶端應(yīng)用程序通過FPGA硬件發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。利用本研究中的單元格、支架和IP封裝，一個名為TCP分離器的TCP流量監(jiān)測已被實(shí)施。TCPIP分離器的名稱來源于的TCP字節(jié)流分割成兩個獨(dú)立的方向，如圖1所示。一個流被傳遞到本地主機(jī)上的客戶端應(yīng)用程序，而另一個被轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程端點(diǎn)。.3設(shè)計(jì)要求TCP -分離器被設(shè)計(jì)成一個輕量級，高性能的電路，它包含一個簡單的客戶端接口，可以監(jiān)控的流量幾乎沒有限制。設(shè)計(jì)應(yīng)有所權(quán)衡，以在今天的硬件的實(shí)際范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果。TCP分離器發(fā)展面臨的一些問題有：（1）丟幀處理，（2）處理數(shù)據(jù)包重新排序，

9、（3）保持了大量的流動狀態(tài)，（4）以線路速率進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，（5）盡量減少硬件門數(shù)。為了克服這些挑戰(zhàn)，為了實(shí)現(xiàn)如何通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)流,必須要有一些限制。TCP分離器需要在通過網(wǎng)絡(luò)中所有被監(jiān)控的數(shù)據(jù)包流來定位。與被監(jiān)控的TCP/IP連接關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)包必須通過正在監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。如果執(zhí)行監(jiān)視的交換機(jī)只處理的TCP數(shù)據(jù)包的一部分,它便無法向客戶端應(yīng)用程序提供從一個連接來的持續(xù)的TCP字節(jié)流。在一般情況下，對于邊緣路由器,這個條件是成立的，但對互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)并非如此。這種要求也可以所在的網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)為以某種方式傳遞數(shù)據(jù)流的專用網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行。4 非被動解決方案一個試圖監(jiān)視大量TCP / IP流所導(dǎo)致的問題

10、是，這種系統(tǒng)將需要大量的內(nèi)存。TCP支持的最大窗口比例因子是，這將導(dǎo)致最大的窗口將達(dá)到1 GB的大小9。在最壞的情況下，為了重新組合在每一個TCP連接方向的數(shù)據(jù)包，這種大小的內(nèi)存將是必須保證的。一個對128k 連接進(jìn)行雙向監(jiān)控的高速交換機(jī)將需要256TB級的高速隨機(jī)存取存儲器（RAM）。即使人們假定TCP窗口大小限制為1Mb，系統(tǒng)仍然需要256GB的內(nèi)存去對上述的128K連接進(jìn)行雙向監(jiān)視。這種過高的內(nèi)存量不僅不現(xiàn)實(shí)，而且還會導(dǎo)致其他輕量級的設(shè)計(jì)考慮。如果為特定流量所有的幀有序地通過交換機(jī)，那么就可以不需要重組緩沖區(qū)。由于不能保證TCP幀將按順序穿越網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)數(shù)據(jù)包亂序時將要一些處理。通過主動丟棄

11、亂序的數(shù)據(jù)包，可以直接為客戶端應(yīng)用程序生成一個TCP字節(jié)流，而不需要重組緩沖區(qū)。如果檢測到有數(shù)據(jù)包丟失，后續(xù)的包都會被不停地丟棄，直到丟失的數(shù)據(jù)包被重傳。這將確保通過交換機(jī)的是有序數(shù)據(jù)包流。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包是上游的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)丟失時，這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)將迫使TCP連接工作在一個 前往往回重發(fā) 的滑動窗口模式。事實(shí)證明，這種前往往回重發(fā)的轉(zhuǎn)播策略正廣泛應(yīng)用于整個互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器上。許多實(shí)現(xiàn)了的TCP，包括使用Windows 98，F(xiàn)reeBSD 4.1和Linux 2.4 7，都使用這種正常返回重發(fā)的轉(zhuǎn)播策略。對吞吐量有好處還是損害是依賴于具體正在使用端點(diǎn)的特定的TCP實(shí)現(xiàn)。在接收TCP堆棧執(zhí)行前-往回- N的

12、滑動窗口模式的情況下，通過消除將被接收端丟棄的數(shù)據(jù)包，主動丟棄幀將實(shí)際上會提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。在利用選擇性重傳并且網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)丟失比例較高的終點(diǎn)的情況下，TCP分離器的操作有可能會加劇數(shù)據(jù)包丟棄的問題，并且使連接不可用。5 架構(gòu)在圖1中可以看出通過TCP分離器的數(shù)據(jù)流的高級視圖。 TCP分離器一直在FPGA硬件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并符合現(xiàn)有的FPX封裝框架。 IP幀從包含在IP封裝中的IP協(xié)議層進(jìn)入TCP分離器。入站幀進(jìn)入TCP分離器，并進(jìn)行分類，校驗(yàn)和和緩存。出站IP幀傳送回IP封裝以被發(fā)送到下一跳路由器。這個TCP字節(jié)流也被傳遞到網(wǎng)絡(luò)中每個TCP流客戶端應(yīng)用程序在TCP -分離器由兩個邏輯部分組成。

13、第一種是TCP輸入模塊，它處理了IP幀的進(jìn)入。TCP 分離器大部分的處理工作都由本部分完成。第二部分稱為TCP輸出模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包路由和與傳遞到客戶端應(yīng)用程序類似的到出站IP堆棧得幀傳遞。5.1輸入處理輸入幀處理包含如圖2所示的6種不同的組成部分。流分類，校驗(yàn)和引擎，輸入狀態(tài)機(jī)，控制FIFO和幀F(xiàn)IFO，都對從IP協(xié)議封裝接收到IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。輸出狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)處理控制FIFO和幀F(xiàn)IFO出來的和輸出處理部分的定時數(shù)據(jù)。IP幀在同一時間被移入32位的輸入部分。 TCP校驗(yàn)和計(jì)算則利用了每個數(shù)據(jù)字中的相應(yīng)位。輸入數(shù)據(jù)也存儲在框架FIFO中，使TCP校驗(yàn)結(jié)果可以隨著IP數(shù)據(jù)包的開始被傳遞到輸出部分

14、。一旦TCP校驗(yàn)和計(jì)算完畢，當(dāng)前幀信息就被寫入到控制FIFO中。此數(shù)據(jù)包括校驗(yàn)和結(jié)果（通過或失敗），流量識別，流量信號的開始和結(jié)束，一個TCP幀的指示和一個表明該幀是否應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)的信號。要求有控制FIFO，以保持更小的幀的狀態(tài)信息，同時較大的幀的進(jìn)程仍受幀F(xiàn)IFO的時鐘控制以作出站處理。輸出狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)處理控制FIFO和幀F(xiàn)IFO出來的和TCP分離器輸出處理部分的定時數(shù)據(jù)。一旦檢測到非空的控制FIFO，輸出狀態(tài)機(jī)為從幀F(xiàn)IFO流出的下一幀啟動時鐘。隨著從控制FIFO出來的控制信號，幀數(shù)據(jù)退出了TCP的輸入部分。5.2流分類一個簡單的流分類器是專為可高速運(yùn)行，具有最小的硬件復(fù)雜性的TCP分離器設(shè)計(jì)。流

15、量表是一個256K的元素?cái)?shù)組，這個數(shù)組在低靜態(tài)延遲RAM芯片中。表中的每個條目都包含33位的狀態(tài)信息。包含源IP地址，目的IP地址，源TCP端口，目標(biāo)TCP端口的18位哈希表作為進(jìn)入流量表的索引。檢測到TCP FIN標(biāo)志標(biāo)志這一個TCP流和該特定流的哈希表項(xiàng)被清除結(jié)束。這個流分類中的哈希表沖突目前并不處理，造成對來自不同流的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，好像它們是一個單一的連接。其他分類可用于識別TCP分離器的流量。 SWITCHGEN是一個可以將封包分類規(guī)則轉(zhuǎn)化為可重構(gòu)硬件的電路設(shè)計(jì)工具 10。遞歸流分類（RFC）的算法是另一種高性能的分類技術(shù)，它通過消除冗余來優(yōu)化6規(guī)則。這些研究項(xiàng)目都是開發(fā)流分類來進(jìn)行

16、每秒30M到100M的分類。Prakash等提出了一個解決方案，它利用的流水線SRAM對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類查找的15。此技術(shù)可支持一億包每秒的分類查找。TCP -分離器的設(shè)計(jì)不強(qiáng)加給利用的流分類技術(shù)任何限制，并且可以被任何流量分類使用。5.3輸出處理TCP -分離器的輸出處理部分負(fù)責(zé)確定如何處理一個數(shù)據(jù)包。有三種可能的選擇。數(shù)據(jù)包可以是：（1）僅傳遞到出站IP層，（2）同時傳遞到出站IP層和客戶端應(yīng)用程序，或（3）被丟棄。處理數(shù)據(jù)包的規(guī)則如下：所有非TCP包被發(fā)送到出站IP堆棧。 所有TCP校驗(yàn)和無效的數(shù)據(jù)包將被丟棄。 所有的序列號小于或等于當(dāng)前預(yù)期的序列號的TCP包，發(fā)送到出站IP堆棧。所有序列

17、號比當(dāng)前預(yù)期更大的TCP數(shù)據(jù)包將被丟棄。 所有的SYN數(shù)據(jù)包被發(fā)送到出站IP堆棧。所有其它的數(shù)據(jù)包都被同時轉(zhuǎn)發(fā)到出站IP協(xié)議棧和客戶端應(yīng)用程序。5.4客戶端接口客戶端接口為應(yīng)用電路提供了一個簡單的硬件接口。只有數(shù)據(jù)是有效的，校驗(yàn)和正確的，并對每個特定的流程是有序的，才能被復(fù)制到客戶端應(yīng)用程序。這允許客戶端完全處理從TCP連接傳來的持續(xù)字節(jié)流。與啟動的報(bào)頭信號一起，所有數(shù)據(jù)包頭移入一個客戶端應(yīng)用程序，使客戶可以提取這些頭信息。這種方法消除了存儲頭信息的需要，但仍允許客戶端訪問這些數(shù)據(jù)?？蛻舳藨?yīng)用程序不位于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路徑中，因此并沒有引起任何穿越到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)封包的延遲。這允許客戶端應(yīng)用程序可以任意復(fù)

18、雜而不會影響到分離器的吞吐率。6結(jié)果TCP分離器已被作為一個FPGA模塊在Xilinx中實(shí)現(xiàn)。該電路已被合成工作在101 MHz，以能夠在FPX平臺上以完整的OC - 48線速度處理。設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑包括用來計(jì)算TCP校驗(yàn)和的16位運(yùn)算器。此TCP -分離器實(shí)現(xiàn)規(guī)模小 - 它只采用了賽靈思的FPGA XCV1000E 2的資源。一個完整的解決方案，其中包括TCP的分離，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議包裝，和一個簡單計(jì)算TCP數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)示例客戶端應(yīng)用程序，僅需要FGPA21的總資源。 TCP的分離也只有7個時鐘周期的流水線延遲，它引入了一個總延遲為70 ns的數(shù)據(jù)通路。為了避免誤碼幀轉(zhuǎn)發(fā)，TCP的分離增加了一個存儲

19、轉(zhuǎn)發(fā)延遲，以便為計(jì)算和驗(yàn)證TCP校驗(yàn)和的時間。7未來工作一些關(guān)于提高TCP分離器的吞吐量的性能改進(jìn)的計(jì)劃有支持OC - 768線速的意圖。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，額外的流水線階段和FPGA提供的并行處理和將會被嘗試。在目前的執(zhí)行情況，分類分配最大值2個內(nèi)存來訪問每個數(shù)據(jù)包。鑒于TCP分離器輸入數(shù)據(jù)的長度為32位（4字節(jié)），并假設(shè)64個字節(jié)的最小長度的數(shù)據(jù)包，最小的操作時間為16個時鐘周期。在這段時間內(nèi)，8個 TCP分離器引擎可以實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行，并在每個時鐘周期執(zhí)行一個的內(nèi)存訪問。通過利用平臺上的FPX兩個靜態(tài)RAM模塊，可以設(shè)計(jì)一個解決方案，采用16 個TCP分離器引擎，每個都以101MHz運(yùn)行，這將

20、以51Gb/s的速度處理數(shù)據(jù)。這提供了足夠的帶寬，保證能夠監(jiān)測工作在OC - 768線速的所有TCP / IP流。計(jì)劃的另一個改進(jìn)是少量的數(shù)據(jù)包重組緩沖區(qū)增加。這些緩沖區(qū)將支持的IP碎片重組和TCP數(shù)據(jù)包以提供一個被動的監(jiān)控解決方案。改進(jìn)的流量分類還計(jì)劃消除該哈希表沖突的問題。8結(jié)論一個TCP / IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控組件，稱為TCP分離器，已發(fā)展到提供給客戶端應(yīng)用系統(tǒng)一個一致的TCP數(shù)據(jù)流。本研究本身在以下方面有別于其他相關(guān)的工程：它可由可重構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)。 它處理數(shù)據(jù)包的線路速率超過3吉比特。 它有對256K的TCP流同時進(jìn)行監(jiān)測的能力。它為每個TCP流客戶端應(yīng)用程序提供了一個一致的字節(jié)流。 它能夠

21、實(shí)時處理數(shù)據(jù)。 它消除了大重組緩沖區(qū)的需要。TCP分離器已在一個Xilinx Virtex 1000E - 7 FPGA合成，并具有后期布局布線頻率101MHz和相應(yīng)3.2吉比特每秒的吞吐量。示例應(yīng)用程序已經(jīng)在利用模擬TCP數(shù)據(jù)包的硬件成功測試。該電路是在FPX平臺上研發(fā)的模塊，但可以很容易地移植到其他基于FPGA的數(shù)據(jù)包處理系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 N. Anerousis, R. Caceres, N. Duffield, A. Feldmann,A. Greenberg, C. Kalmanek, P. Mishra, K. Ramakrishnan,and J. Rexford. Using

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