基于FPGA的高速网络流量采集系统设计

摘要

网络流量采集是研究网络行为、进行网络规划的基础，通过对网络链路的流量进行采集分析，可以了解网络运行情况、网络安全情况、网络负载情况以及网络使用者的行为模式等信息。随着网络技术的飞速发展，网络带宽的增长速度已经远远超过了处理器性能的增长速度，传统网络流量采集系统在流量捕获、传输、缓冲、拷贝和中断处理等环节的负载开销非常大，无法满足当前网络技术高速发展的要求，主干网络链路的流量采集系统面临着海量数据的压力。本论文在深入研究传统网络流量采集技术性能瓶颈基础上，研究了高速网络链路下的流量采集技术。通过硬件加速、底层数据传输通道设计和数据并行优化等手段，对传统网络流量采集技术的性能瓶颈环节进行优化，设计一种高性能的网络流量采集系统。
　　本论文的研究工作有以下几点:
　　1.采用多层技术设计了一种在普通PC平台下实现两路万兆链路流量采集和预处理的流量采集系统。通过对传统网络流量采集系统的性能瓶颈分析，对瓶颈环节进行改进优化。通过高速数据传输通道设计、硬件加速技术、高性能缓冲区设计等措施，设计了一种软硬件结合的高性能网络流量采集系统。与现有流量采集系统相比，论文设计的流量分析系统的性能有很明显的提升。
　　2.设计一种面向多核服务器的流量预处理平台。平台负责网络流量的捕获、过滤、预处理、数据包分发和流量传输等功能。它可以降低流量采集系统传输数据过程的负载开销，还能够有效提升后端多核流量分析设备的并行处理效率。
　　3.研究了高速网络的数据包分类技术。采用基于TCAM(Ternary ContentAddressable Memory)的硬件查找电路直接对预处理平台捕获的数据包进行分类处理;通过将网络数据包的关键信息送至硬件查找模块中匹配，再将获得的处理策略与原数据包一起封装成自定义的数据帧，交给后端模块处理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文主要研究内容

第2章 采集系统瓶颈分析与优化方案

2．1 传统流量采集系统工作流程

2．2 传统流量采集系统性能瓶颈分析

2．3 流量采集系统设计思路分析

2．4 流量采集系统总体方案

2．5 系统软硬件功能划分

2．6 本章小结

第3章 流量预处理硬件平台设计

3．1 平台设计需求分析

3．2 预处理硬件平台功能划分

3．3 数据在平台上的处理通路设计

3．4 预处理平台模块硬件设计

3．4．1 网络接口模块设计

3．4．2 数据查找模块设计

3．4．3 SRAM接口设计

3．4．4 PCIE总线设计

3．4．5 时钟与复位管理设计

3．5 本章小结

第4章 系统关键技术实现与软件设计

4．1 高效数据传输通道设计

4．1．1 数据传输过程分析

4．1．2 外设到内核缓存区的数据传输实现

4．1．3 内核静态缓冲区创建实现

4．1．4 数据零拷贝传输实现

4．1．5 缓冲区数据同步算法

4．2 基于TCAM硬件分包实现

4．3 流量并行处理优化实现

4．4 FPGA的控制逻辑设计

4．5 流量采集系统的软件设计

4．5．1 软件系统分层设计

4．5．2 软件主要功能模块设计

4．6 本章小结

第5章 系统测试结果和分析

5．1 测试环境介绍

5．2 系统性能测试

5．2．1 数据包捕获能力测试

5．2．2 中断次数影响测试

5．2．3 CPU占用率测试

5．2．4 内存占用测试

5．3 系统测试结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢