轉(zhuǎn)自：Qt迭代器（Java類型和STL類型）詳解

1、PF_RING簡介

PF_RING是Luca研究出來的基于Linux內(nèi)核級的高效數(shù)據(jù)包捕獲技術(shù)。簡單來說PF_RING 是一個高速數(shù)據(jù)包捕獲庫,通過它可以實現(xiàn)將通用 PC 計算機(jī)變成一個有效且便宜的網(wǎng)絡(luò)測量工具箱,進(jìn)行數(shù)據(jù)包和現(xiàn)網(wǎng)流量的分析和操作。同時支持調(diào)用用戶級別的API來創(chuàng)建更有效的應(yīng)用程序。

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2、PF_RING的優(yōu)點

現(xiàn)在我們知道PF_RING是擁有一套完整開發(fā)接口的高速數(shù)據(jù)包捕捉庫，與我們熟知的libpcap十分相似，但其性能要優(yōu)于libpcap。關(guān)于libpcap的實現(xiàn)機(jī)制可以參考libpcap實現(xiàn)機(jī)制及接口函數(shù)

問題

• 在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)包捕獲的過程中， CPU的多數(shù)時間都被用在把網(wǎng)卡接收到的數(shù)據(jù)包經(jīng)過內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列發(fā)送到用戶空間的過程中。也就是說是從網(wǎng)卡-->內(nèi)核， 再從內(nèi)核-->用戶空間，這兩個步驟，花去了大量CPU時間，從而導(dǎo)致沒有其他時間用來進(jìn)行數(shù)據(jù)包的進(jìn)一步處理。

在傳輸過程中sk_buff結(jié)構(gòu)的多次拷貝，以及涉及用戶空間和內(nèi)核空間的反復(fù)系統(tǒng)調(diào)用極大的限制了接收報文的效率，尤其是對小報文的接收影響更為明顯。

解決方案

** PF_RING提出的核心解決方案便是減少報文在傳輸過程中的拷貝次數(shù)**。由下圖我們可以直觀的看到不同技術(shù)下對數(shù)據(jù)拷貝的優(yōu)化是不同的。接下來將圍繞這張圖的實現(xiàn)路徑解釋PF_RING和PF_RING ZC庫的實現(xiàn)機(jī)制。

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libpcap、PF_RING、PF_RING ZC方案對比

網(wǎng)卡接收報文的前面的流程就是libpcap實現(xiàn)機(jī)制及接口函數(shù)中講解的NAPI，主要的不同體現(xiàn)在報文在內(nèi)核空間與用戶空間的傳遞。

PF_RING noZC

1、PF_RING socket 針對輪詢機(jī)制的不足，在輪詢機(jī)制的基礎(chǔ)上提出一種新的包捕獲套接字模型，基于環(huán)形緩沖區(qū)的新的套接字 PF_RING
2、每創(chuàng)建一個PF _RING套接字便分配一個環(huán)形緩沖區(qū)，當(dāng)這個套接字結(jié)束時釋放這個緩沖區(qū)
3、PF_RING套接字綁定到某一網(wǎng)卡上時，這個網(wǎng)卡在套接字結(jié)束之前處于制度狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)卡時，將其放入到環(huán)形緩沖區(qū)。如果緩沖區(qū)已經(jīng)滿，則將其丟棄。
4、用戶空間可以直接訪問這個環(huán)形緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)
5、當(dāng)有新的數(shù)據(jù)包到來的時候，可以直接覆蓋掉已經(jīng)被用戶空間讀取過的那個數(shù)據(jù)包的空間

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環(huán)形緩沖區(qū)示意圖

PF_RING ZC

• PF_RING ZC 實現(xiàn)了PF_RING? DNA（Direct NIC Access 直接網(wǎng)卡訪問）技術(shù)。是一種映射網(wǎng)卡內(nèi)存和寄存器到用戶態(tài)的方法。
• 因此除了由網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)處理單元完成DMA傳輸之外，沒有任何額外的數(shù)據(jù)包復(fù)制，進(jìn)一步節(jié)省了一次數(shù)據(jù)拷貝操作
• 這將性能更好，因為CPU周期的僅用于操作數(shù)據(jù)包，而不是把數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡挪走。

• 其缺點是，只有一個應(yīng)用可以在某個時間打開DMA ring（請注意，現(xiàn)在的網(wǎng)卡可以具有多個RX / TX隊列，從而就可以在每個隊列上同時一個應(yīng)用程序），換而言之，用戶態(tài)的多個應(yīng)用需要彼此溝通才能分發(fā)數(shù)據(jù)包。

  PE_RING ZC

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用戶空間創(chuàng)建PF_RING套接字時

fd = socket(PF_RING, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));

和基于PF_PACKET套接字的libpcap不同的是，PF_RING機(jī)制更為靈活：

• 1.PF_RING采用mmap的方式將網(wǎng)絡(luò)裸數(shù)據(jù)放在一個用戶態(tài)可以直接access的地方，而不是通過socket read/write機(jī)制的內(nèi)存拷貝；
• 2.PF_RING支持下面1到3三種方式將裸數(shù)據(jù)放到mmap到用戶態(tài)的環(huán)形緩沖區(qū)以及4的DNA方式：

• 1.按照PACKET套接字的方式從netif_receive_skb函數(shù)中抓取數(shù)據(jù)包，這是一種和PACKET套接字兼容的方式，所不同的是數(shù)據(jù)包不再通過socket IO進(jìn)入用戶態(tài)，而是通過mmap；(transparent_mode 0)

• 2.直接在NAPI層次將數(shù)據(jù)包置入到所謂的環(huán)形緩沖區(qū)，同時NAPI Polling到skb對列，對于這兩個路徑中的第一個而言，這是一種比2.1介紹的方式更加有效的方式，因為減少了數(shù)據(jù)包在內(nèi)核路徑的處理長度，但是要求網(wǎng)卡支持NAPI以及PF_RING接口(一般而言，NAPI會將數(shù)據(jù)包Polling到一個skb隊列)。(transparent_mode 1)
• 3.和2相同，只是不再執(zhí)行NAPI Polling。這就意味著，數(shù)據(jù)包將不會進(jìn)入內(nèi)核，而是直接被mmap到了用戶態(tài)，這特別適合于用戶態(tài)的完全處理而不僅僅是網(wǎng)絡(luò)審計，既然內(nèi)核不需要處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)了，那么CPU將被節(jié)省下來用于用戶態(tài)的網(wǎng)絡(luò)處理。這可能會將內(nèi)核串行的網(wǎng)絡(luò)處理變?yōu)橛脩魬B(tài)并行的處理。(transparent_mode 2)
• 4.這是一種更猛的方式，喚作DNA支持的模式，直接繞過內(nèi)核協(xié)議棧的所有路徑，也就是說直接在網(wǎng)卡的芯片中將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?DMA的方式)所謂環(huán)形緩沖區(qū)，內(nèi)核將看不到任何數(shù)據(jù)包，這種方式和Intel的萬兆猛卡結(jié)合將是多么令人激動的事啊；(DNA技術(shù))

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以上便是我們在文檔中見到的transparent_mode。對于transparent_mode為0的情況，內(nèi)核會通過net_if_recv_skb回調(diào)packet_rcv函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，所以當(dāng)向系統(tǒng)內(nèi)核插入PF_RING模塊時在內(nèi)核注冊了packet_rcv鉤子函數(shù)，使用通用的網(wǎng)卡驅(qū)動便可以實現(xiàn)向PF_RING傳遞報文。而對于transparent_mode為1和2的模式，則是需要使用PF_RING特殊定制的網(wǎng)卡驅(qū)動，并在網(wǎng)卡驅(qū)動中直接調(diào)用注冊的包處理函數(shù)，將報文傳遞給PF_RING。

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transparent_mode是對skb_ring_handler之前的包處理路徑進(jìn)行優(yōu)化，
quick_mode是對skb_ring_handler之后的包處理過程進(jìn)行優(yōu)化

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quick_mode

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PF_RING的背后
很多人都只是認(rèn)為PF_RING只是一個高性能的抓包機(jī)制，提供本機(jī)的數(shù)據(jù)包鏡像分析，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)審計，這只是按照傳統(tǒng)的思路來解釋的。更進(jìn)一步，PF_RING機(jī)制顛覆了網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點解釋數(shù)據(jù)包的方式。按照傳統(tǒng)的觀念，中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只能按照協(xié)議棧的層次一層一層地解析數(shù)據(jù)包，所謂路由器是三層設(shè)備，交換機(jī)是二層設(shè)備，防火墻分為二層防火墻和三層防火墻...使用PF_RING的設(shè)備，它可以將數(shù)據(jù)包直接從網(wǎng)卡的芯片DMA到你機(jī)器上的內(nèi)存，僅此而已，然后你通過一個應(yīng)用程序而不是內(nèi)核協(xié)議棧來處理數(shù)據(jù)包，至于說你的應(yīng)用程序怎么處置數(shù)據(jù)包，我來列舉幾個：
1.深度解析數(shù)據(jù)包，按照各種你可以想到的粒度來解析會話，然后記錄審計信息；

2.提供高性能的入侵檢測功能；

3.轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，按照路由器的方式。但是不再僅僅通過查詢路由表的方式進(jìn)行IP路由，而是可以通過各種各樣的方式，轉(zhuǎn)發(fā)表完全由你自己定義，比如實現(xiàn)一個通用的SDN流表；

4.根據(jù)上面第2點的含義，你可以決定哪些包被丟棄，這就是一個高性能的防火墻。

相比協(xié)議棧的串行解決方案，使用PF_RING是一個更加高效的方案，不但高效，而且靈活。如果你擁有多核心的處理器，你甚至可以可以在用戶態(tài)并行處理數(shù)據(jù)包的各個層信息

PF_RING API

作者：shaarawy18
鏈接：https://www.jianshu.com/p/6d3f3cdc2411
來源：簡書
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【转】PF_RING学习笔记的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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