高速IPv6分片数据包并行重组的研究与实现

摘要

IPv6作为下一代互联网的基础协议，随着IPv6互联网的逐步发展，也开始了大规模的应用部署。对IPv6协议本身的研究以及对基于IPv6协议的应用也越来越引起许多的重视。
　　 IPv6协议针对IPv4网络出现的许多问题，在IPv4协议基础上提出了改进，如简化的IPv6报头，扩展头的使用，加密和认证头的增加，使得IPv6网络相对于IPv4网络更加安全可靠。但是，IPv6网络还远没有想象的安全，比如，IPv4网络存在的分片攻击在IPv6网络中并没有消失，因此，应付IPv4网络分片攻击的方法，在IPv6网络中仍然有效。分片重组就是其中一种防范分片攻击的必然步骤。
　　 除去网络信息安全的原因，还有一个更重要的因素，使得分片重组功能必不可少。网络流量监测是监视网络中高速传输的数据的一种重要方法，网络数据包捕获系统作为这种方法的一个重要子系统，是整个网络流量监测的基础，网络数据包的捕获更是后续处理的基石。如果捕获的是IPv6分片包，而要获得完整的是IPv6数据包，则必然要进行IPv6分片包的分片重组。也就是说，分片重组是网络应用的必不可少的子模块。
　　 RFC791和RFC815都推荐了IPv4分片包重组算法，本文分析了两者的优缺点，借鉴了绝大部分的RFC791推荐的重组算法，同时也巧妙地用到了RFC815中“洞”的概念，使得本文提出的算法适合无锁并行重组，并更加有效。同时，本文还考查了常用数据结构的lock-free算法，并将其应用在IPv6的分片重组上，使其能够充分利用多核的硬件基础，从而提高重组效率。
　　 最后，本文给出IPv6分片数据包并行重组模块的设计和实现，该模块可实际运行在Linux2．6内核之上。并对该模块进行了测试，取得了良好的效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 本论文的主要工作

1.4 本文的组织结构

第二章 Linux内核及其网络数据结构sk_buff的介绍

2.1 Linux2.6内核简介

2.2 Linux2.6网络子系统简介

2.3 重要的网络数据结构

2.3.1 sk_buff结构概述

2.3.2 sk_buff的数据结构

2.3.3 sk_buff的相关操作

2.3.4 skb_shared_info数据结构

2.4 小结

第三章 IPv6协议及IPv6分片数据包重组算法的介绍

3.1 网络协议栈

3.2 IPv6协议

3.2.1 IPv6协议变化概述

3.2.2 IPv6数据包的包头结构

3.2.3 IPv6数据包的分段

3.2.4 IPv6数据包的扩展头简介

3.2.5 IPv6数据包的分段扩展头

3.3 IPv6分片重组规则

3.3.1 RFC791分片重组算法的基本思想

3.3.2 RFC815分片重组算法中“洞”的概念

3.4 小结

第四章 多线程编程

4.1 线程在Linux下的实现

4.1.1 线程的创建

4.1.2 线程的终结

4.2 多线程编程的优点

4.3 有锁多线程编程

4.3.1 Linux内核同步机制

4.3.2 有锁多线程编程

4.4 无锁多线程编程

4.4.1 无锁算法简介

4.4.2 CAS原语汇编实现

4.4.3 利用CAS原语实现lock-free算法

4.5 FIFO链表队列的lock-free算法

4.5.1 FIFO队列及其的相关lock-free算法

4.5.2 有序单链表的lock-free算法简介

4.5.3 代码只执行一次的编程技巧

4.6 小结

第五章 IPv6分片数据包并行重组的设计与实现

5.1 Linux2.6内核的IPv6分片重组算法

5.2 分片重组模块reas_cas的lock-free算法设计

5.2.1 分片重组模块reas_cas的数据结构

5.2.2 分片包接收算法设计

5.2.3 fq缓冲区节点的分配和释放算法设计

5.2.4 分片包入队算法设计

5.2.5 分片重组算法设计

5.2.6 分片链超时设计

5.3 分片重组模块reas_cas的lock-free算法实现

5.4 分片重组模块reas_cas的lock-free算法测试

5.4.1 测试平台的搭建

5.4.2 LF_RING模块数据包捕获的测试

5.4.3 IPv6分片数据包并行重组模块测试

5.5 小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢