高速網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越復(fù)雜，這使得網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)各種問題的可能性增大，同時管理網(wǎng)絡(luò)的難度也增大。網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測提供了一種探索實際環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)特性的手段。從實現(xiàn)方法的角度，目前所存在的流量測量方法可分為兩大類：基于硬件的測量方法和基于通用PC平臺測量方法?；谟布臏y量方法由于在高速鏈路的環(huán)境下具有了巨大的性能優(yōu)勢，一般為大型開發(fā)商和運營商所用，但是因為其價格比較昂貴，大多數(shù)的中小企業(yè)還是選用基于通用PC的流量監(jiān)測方法。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)速率的不斷提高，基于通用PC平臺的流量監(jiān)測因為受到操作系統(tǒng)和硬件性能的限制，不能滿足高速鏈路流量監(jiān)測的需求。
　本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種高速網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于高速數(shù)據(jù)采集卡和普通服務(wù)器，在硬件采集、存儲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)捕獲、分析、統(tǒng)計、報表等功能。通過該系統(tǒng)，用戶可以制定針對特定業(yè)務(wù)的流量監(jiān)測，并且可以對網(wǎng)絡(luò)的健康狀況和瓶頸等進(jìn)行測試，幫助用戶迅速地確定網(wǎng)絡(luò)問題。
1 設(shè)計方案
　網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測驗證系統(tǒng)由硬件支撐平臺、軟件支撐平臺和網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測應(yīng)用軟件（ntop）三部分構(gòu)成。
1.1 硬件支撐平臺
1.1.1 TurboCap高速捕獲卡
　TurboCap是一種雙端口千兆捕獲與注入工具，具備多種功能，包括同時全速捕獲與注入、多端口通信聚合以及可調(diào)控的pass-thru模式。該工具套件同時提供TurboCap API以及winPcap/libpcap API。TurboCap套件包括TurboCap千兆捕獲卡、TurboCap驅(qū)動和用戶級的API三部分。
1.1.2 服務(wù)器
　TurboCap卡是一種基于PCI-E的接口卡（4x或8x），為了最大程度發(fā)揮其性能，網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)采用HP380G6服務(wù)器，該服務(wù)器主要配置如下：PCI-E為X8 PCI-E卡插槽；CPU采用2.4 GHz雙核Intel Xeon W3503；內(nèi)存為8 GB；存儲為SAS硬盤（10 000轉(zhuǎn)）RAID卡。
1.2 軟件支撐平臺
　軟件支撐平臺主要包括Linux操作系統(tǒng)、TurboCap卡驅(qū)動和TurboCap Libpcap（Packet Capture Library）開發(fā)包模塊等。
Linux操作系統(tǒng)采用Fedora 10，主要因為捕獲卡的驅(qū)動為Fedora 10。
1.2.1 Libpcap開發(fā)模塊
　Libpcap由Berkeley 大學(xué)的JACOBSON V、LERES C 和MCCANNE S編寫， 是一個平臺獨立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲開發(fā)包，應(yīng)用非常廣泛，幾乎只要涉及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲功能，都可以使用Libpcap開發(fā)包。Libpcap可以在絕大多數(shù)類Unix/Linux平臺下工作。Libpcap軟件包可從http：//www.tcpdump.org下載，目前最新版本為1.1.1。
　本文采用的Libpcap版本號為libpcap-1.0.0-tc_17.fc10.x86_64，是由CACE公司提供的與TurboCap卡驅(qū)動配套的開發(fā)包。
1.2.2 支撐軟件安裝
　以ROOT用戶安裝TurboCap驅(qū)動， TurboCap內(nèi)核模塊，TurboCap開發(fā)庫、文檔、例子以及支持TurboCap修改版的libpcap 1.0.0，操作如下：
　[root@x86_64]# rpm -ivh kernel-firmware-2.6.27.12-170.2.5.preemptive.kernel.kt.fc10.x86_64.rpm
　[root@x86_64]# rpm -ivh kernel-2.6.27.12-170.2.5.preemptive.kernel.kt.fc10.x86_64.rpm
　[root@x86_64]# rpm -ivh turbocap-1.6.2117-1.fc10.x86_64.rpm libpcap-1.0.0-tc_16.fc10.x86_64.rpm
　[root@x86_64]# rpm -ivh turbocap-module-2.6.27.12-170.2.5.preemptive.kernel.kt.fc10-1.6.2117-1.fc10.x86_64.rpm
　之后重啟計算機(jī)，確認(rèn)選擇啟動的內(nèi)核是：Fedora （2.6.27.12-170.2.5.preemptive.kernel.kt.fc10.i686）或者Fedora（2.6.27.12-170.2.5.preemptive.kernel.kt.fc10.x86_64）
1.3 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測應(yīng)用軟件
　ntop是一套網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控軟件，由意大利Pisa大學(xué)教授DERI L于1997年開始開發(fā)，并以開源方式提供使用，可以從http：//www.ntop.org下載，目前最新版本為4.0.3。ntop以sniffery方式運作，采用網(wǎng)頁接口，主要功能有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計、提供網(wǎng)絡(luò)最佳化與除錯的信息以及偵測可疑的網(wǎng)絡(luò)流通信息等。
1.3.1 ntop功能
　ntop可以監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括：網(wǎng)絡(luò)流量、使用協(xié)議、系統(tǒng)負(fù)載和端口情況等。
　ntop能夠更加直觀地將網(wǎng)絡(luò)使用量的情況和每個節(jié)點計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)帶寬使用詳細(xì)情況顯示出來?？梢酝ㄟ^分析網(wǎng)絡(luò)流量來確定網(wǎng)絡(luò)上存在的各種問題，如瓶頸效應(yīng)或性能下降；也可以用來判斷是否有黑客正在攻擊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果懷疑網(wǎng)絡(luò)正在遭受攻擊，通過ntop截獲的數(shù)據(jù)包可以確定正在攻擊系統(tǒng)的是什么類型的數(shù)據(jù)包，以及它們的源頭，從而可以及時地作出響應(yīng)，或者對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證網(wǎng)絡(luò)運行的效率和安全。通過ntop網(wǎng)管員還可以很方便地確定哪些通信量屬于某個特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、占主要通信量的是哪個主機(jī)、各次通信的目標(biāo)是哪個主機(jī)、數(shù)據(jù)包發(fā)送時間、各主機(jī)間數(shù)據(jù)包傳遞的間隔時間等。這些信息為網(wǎng)管員判斷網(wǎng)絡(luò)問題及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，提供了十分寶貴的信息。
1.3.2 ntop基本架構(gòu)
　ntop基本架構(gòu)分成三個模塊：數(shù)據(jù)包捕獲（Packet Sniffer）模塊，數(shù)據(jù)包分析（Packet Analyser）模塊以及報告引擎（Report Engine）模塊，如圖1所示。由Packet Sniffer收集網(wǎng)絡(luò)上的Packet，然后送給Packet Analyser去處理，再由Report Engine將處理分析后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。

1.3.3 ntop安裝與使用
　在FC10下，ntop的安裝配置更簡單，大多數(shù)庫默認(rèn)都已經(jīng)安裝，只需另外安裝GeoIP和rrdtool，下面簡單介紹一下ntop的安裝和配置。
解壓縮源碼：tar -zxvf ntop-4.0.3.tar.gz；
　運行：cd ntop-4.0.3；
　運行：./autogen.sh；
　運行：make make install；
　添加用戶：useradd -M-s/sbin/nologin-r ntop；
　設(shè)置用戶權(quán)限：chown ntop：root /usr/local/var/ntop/；
　設(shè)置用戶權(quán)限：chown ntop：ntop /usr/local/share/ntop/；
　設(shè)置密碼：ntop-A；
　ntop作為守護(hù)進(jìn)程運行：/usr/local/bin/ntop-d-L-u ntop-P/usr/local/var/ntop--skip-version-check--use-syslog=daemon；
　查看統(tǒng)計信息：打開瀏覽器，在地址欄輸入http：//host_ip：3000（“IP”就是安裝ntop的那臺網(wǎng)管工作站的IP地址），即可打開ntop界面。
2 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控系統(tǒng)的接入方式
2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲得技術(shù)
　在交換網(wǎng)絡(luò)中，有兩種有效的獲得數(shù)據(jù)的方法：
?。?）鏡像端口SPAN（Switch Port Analysis）：某些交換機(jī)可以將一個或幾個端口的數(shù)據(jù)包復(fù)制到一個指定的端口，然后可以在該端口上接網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)。
　（2）分路器TAP（Test Access Port）：可以把任意一個端口收到的數(shù)據(jù)注入到另一個端口?？捎糜诩磿r分析網(wǎng)絡(luò)流量，且不占用任何網(wǎng)絡(luò)資源。分路器TAP串接在被監(jiān)控鏈路上，可永久固定在被監(jiān)控鏈路上，避免插拔鏈路，不用配置交換機(jī)和額外占用交換機(jī)端口。
2.2 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控系統(tǒng)的部署方式——SPAN方式
　網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控系統(tǒng)的部署方式為SPAN方式。下面主要說明如何在Catalyst 2950上配置SPAN功能，以下是SPAN實現(xiàn)的范例：
　C2950#conf t
　C2950（config）#
　C2950（config）#monitor session 1 source interface fastEthernet 0/2
　!-- Interface fa 0/2 is configured as source port
　C2950（config）#monitor session 1 destination interface fastEthernet 0/3
　!-- Interface fa0/3 is configured as destination port
　C2950（config）#
　在使用SPAN時需要注意：（1）保證鏡像端口的線速等于或高于被監(jiān)測端口的線速，防止數(shù)據(jù)過載，造成數(shù)據(jù)包丟失；（2）SPAN功能會增加交換機(jī)的負(fù)荷，占用交換機(jī)的CPU、內(nèi)存等系統(tǒng)資源，致使交換機(jī)性能下降，所以在獲取到足夠的數(shù)據(jù)后，需要去除SPAN功能；（3）由于不同交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制不同，有的交換機(jī)的SPAN功能會自動丟棄錯誤的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致無法獲取到錯誤的數(shù)據(jù)包，而錯誤的數(shù)據(jù)包能為解決網(wǎng)絡(luò)問題提供重要依據(jù)。
2.3 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控系統(tǒng)的部署方式——TAP方式
　網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控系統(tǒng)的部署方式采用TAP方式，TAP方式又分以下幾種：
?。?）交換分路器（TAP）模式。當(dāng)TurboCap卡處于pass-thru模式時，TurboCap把一個端口收到的數(shù)據(jù)注入到同卡上的另一個端口。兩個端口支持全速對發(fā)，從而使TurboCap具有分路器的功能。
?。?）匯聚TAP模式。安裝方法類似于交換TAP。匯聚TAP可以將多條鏈路的全雙工數(shù)據(jù)合并到單一數(shù)據(jù)流中，這樣可以從單一數(shù)據(jù)流中看到來自多個SPAN端口的匯聚流量，將其復(fù)制后供分析使用。TurboCap支持同卡上的全速雙口通信聚合。用戶可以通過一個叫做Board Aggregationg Port（BAP）的虛擬端口來訪問聚合通信。TurboCap還支持對多TurboCap卡的端口進(jìn)行聚合，這樣用戶可以一次捕獲超過兩個端口的通信。
在借助TAP分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的時候，需要注意以下三點：（1）TAP主要用于對骨干鏈路數(shù)據(jù)的獲?。ó?dāng)然也可以用于其他鏈路），使用時需要預(yù)先布放（串接）到鏈路中，避免監(jiān)測骨干鏈路時再串接TAP而引起中斷網(wǎng)絡(luò)的情況發(fā)生；（2）被監(jiān)測的鏈路流量不要超過TAP端口的線速，防止數(shù)據(jù)包因過載而丟失；（3）將不同的TAP組合起來使用可以實現(xiàn)更高要求的數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過TAP模式和聚合功能，就可以實現(xiàn)聚合TAP的功能。
　本文基于高速采集卡和普通服務(wù)器設(shè)計了高速網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)，采用Linux操作系統(tǒng)和開源軟件，成本低，滿足了高速鏈路流量監(jiān)測的需求。該系統(tǒng)既支持SPAN方式，也支持TAP方式，這兩種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、分析時都普遍應(yīng)用。用戶可以根據(jù)自己的使用情況，選擇合適的部署方式來部署網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭惠之，羅進(jìn)文.一種有效的流量控制策略—ntop[J]. 信息科技，2002（3）：38-39.
[2] 趙冉.網(wǎng)絡(luò)流量測量系統(tǒng)Ntop的分析與研究[D].西安：西北大學(xué)，2008.
[3] TAMON M A. Ntop network monitoring guide[EB/OL].[2008].http：//techowto.wordpress.com.