專利名稱：一種基于硬件cam芯片的高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)信息處理領(lǐng)域，具體地說，屬于網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)過濾還原領(lǐng)域，通過硬件芯片加速對符合五類源協(xié)議傳輸?shù)腡CP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行關(guān)鍵字高速過濾和匹配方法。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸都是以TCP/IP數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行的，每個數(shù)據(jù)包內(nèi)包含有諸多信息。常規(guī)協(xié)議還原的做法是由硬件完成包的接收后，由軟件逐項(xiàng)比較接收到數(shù)據(jù)包內(nèi)的協(xié)議信息后，進(jìn)行分類，并根據(jù)包序號對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)段抽取排序，對已完成排序還原后的數(shù)據(jù)段一般稱為文件。對文件內(nèi)容與關(guān)鍵字逐字比對的工作稱為內(nèi)容匹配。內(nèi)容匹配的關(guān)鍵是比對對象是文件而不是包且比對過程需要逐字節(jié)移位后與關(guān)鍵字進(jìn)行比對。只有保證這兩點(diǎn)才能做到對針對內(nèi)容的精確匹配。 協(xié)議還原過程中，數(shù)據(jù)包排序和內(nèi)容匹配致頻繁的內(nèi)存搬移，使整個系統(tǒng)的處理效率降低，在單機(jī)多協(xié)議還原情況下尤為明顯。而不對數(shù)據(jù)包進(jìn)行按協(xié)議分類、重新排序?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵字過濾就成為難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于硬件CAM芯片的高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾方法；本發(fā)明通過關(guān)鍵字偏移實(shí)現(xiàn)傳輸時的識別技術(shù)，以數(shù)據(jù)包為對象不進(jìn)行數(shù)據(jù)段抽取和排序，直接移動數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)內(nèi)容與關(guān)鍵字進(jìn)行移位匹配；當(dāng)發(fā)現(xiàn)比較器當(dāng)前窗口內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)和關(guān)鍵字前半段匹配，或者和關(guān)鍵字后半段匹配，即認(rèn)為部分匹配，亦叫半中標(biāo)；如果數(shù)據(jù)包在移位比對中出現(xiàn)和關(guān)鍵字完全匹配的字段，即認(rèn)為完全匹配，即中標(biāo)，將相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包全部過濾出來，存儲到某地；其中窗口內(nèi)前段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)匹配，稱為窗口前中標(biāo)，窗口內(nèi)后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)匹配，稱為窗口后中標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是一種基于硬件CAM芯片的高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾方法，其步驟為I)根據(jù)CAM芯片比較器的窗口寬度設(shè)定輸入關(guān)鍵字的最大長度；其中，比較器的窗口寬度為η字節(jié)，關(guān)鍵字的最大長度小于或等于η字節(jié)；2)所述比較器從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中順序移位讀取η個字節(jié)作為比較器的窗口數(shù)據(jù)與輸入的關(guān)鍵字進(jìn)行匹配；21)如果窗口數(shù)據(jù)包含匹配的關(guān)鍵字，則視為中標(biāo)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)包作為匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾出來；22)如果窗口后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分匹配，即發(fā)生窗口后中標(biāo)，則t匕較器移位讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中后續(xù)η個字節(jié)作為比較器的窗口數(shù)據(jù)與該關(guān)鍵字進(jìn)行匹配，如果當(dāng)前窗口數(shù)據(jù)前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與該關(guān)鍵字剩余未匹配數(shù)據(jù)匹配，即發(fā)生窗口前中標(biāo)，則視為中標(biāo)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)包作為匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾出來；否則視為當(dāng)前數(shù)據(jù)包未中標(biāo)，比較器繼續(xù)移位讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)段中后續(xù)η個字節(jié)與關(guān)鍵字進(jìn)行匹配。進(jìn)一步的，如果前一個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段的最后一個窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字發(fā)生窗口后中標(biāo)，則在后續(xù)相鄰數(shù)據(jù)包的第一個比較窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字比較時，判斷是否發(fā)生窗口前中標(biāo)，如果是則視為中標(biāo)，將相關(guān)的兩個數(shù)據(jù)包作為匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾出來。進(jìn)一步的，如果比較器移位讀取到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段段尾，移位讀取的數(shù)據(jù)長度不足η字節(jié)時，比較器根據(jù)上一窗口的比較結(jié)果進(jìn)行判斷；如果上一窗口比較時發(fā)生了窗口后中標(biāo)，則比較器將上一窗口未匹配的剩余數(shù)據(jù)先左對齊與關(guān)鍵字進(jìn)行一次匹配，如果存在窗口前中標(biāo)，則視為中標(biāo)；否則，再取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段最后η個字節(jié)與關(guān)鍵字進(jìn)行比較，如果發(fā)生窗口前中標(biāo)，則為中標(biāo)。進(jìn)一步的，當(dāng)發(fā)生窗口前中標(biāo)或窗口后中標(biāo)時，比較器反饋預(yù)警提示信息給過濾模塊；所述反饋信息包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的編號、中標(biāo)位置、中標(biāo)碼及對應(yīng)的處理方式。進(jìn)一步的，當(dāng)窗口后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字后半段部分匹配，或窗口前半段部分 數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分匹配時，比較器反饋預(yù)警提示信息給過濾模塊；所述反饋信息包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的編號、中標(biāo)位置、中標(biāo)碼及對應(yīng)的處理方式。進(jìn)一步的，所述預(yù)警提示信息包括預(yù)警優(yōu)先級信息。進(jìn)一步的，比較器根據(jù)窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字的匹配長度設(shè)定預(yù)警優(yōu)先級，匹配長度越長優(yōu)先級越高。本發(fā)明的方法流程圖如圖I所示，關(guān)鍵字如果正處于相鄰兩個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之間時，即前一個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段的最后一個比較窗口內(nèi)的后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分內(nèi)容匹配，發(fā)生窗口后中標(biāo)，則在下一個窗口比較時，即后續(xù)相鄰數(shù)據(jù)包的第一個比較窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字比較時，就會關(guān)注相應(yīng)的窗口前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容與關(guān)鍵字剩余后半段未匹配內(nèi)容是否匹配，即是否發(fā)生窗口前中標(biāo)，如果匹配則視為“中標(biāo)”，將相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包全部過濾出來，存儲到某地，否則忽略。CAM芯片每次可以比較位寬的大小，即是比較器所能看到的連貫數(shù)據(jù)段的范圍。此范圍根據(jù)CAM芯片型號的不同而不同，本文以常見的CAM芯片每次可以比較144bit寬的數(shù)據(jù)，也就是18字節(jié)為例。如果數(shù)據(jù)段長度不是18字節(jié)對齊，數(shù)據(jù)段尾不足18字節(jié)時需根據(jù)上一窗口的比較結(jié)果進(jìn)行判斷，如果上一窗口比較時發(fā)生了窗口內(nèi)前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字部分匹配的情況，則將上一窗口內(nèi)除匹配外的剩余全部數(shù)據(jù)段先左對齊與關(guān)鍵字部分進(jìn)行一次比較，觀察是否存在相應(yīng)的窗口后中標(biāo)的情況，如果存在則視為中標(biāo)；如果不存在，則取TCP/IP包的數(shù)據(jù)段最后18字節(jié)與關(guān)鍵字部分再進(jìn)行一次比較觀察是否存在窗口后半段中標(biāo)的情況，如果存在則視為中標(biāo)，否則視為未中標(biāo)。注窗口是指比較器每次進(jìn)行比較的字段寬度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果采用此技術(shù)不會遺漏任何需要匹配的數(shù)據(jù)，即使部分匹配也會出現(xiàn)中標(biāo)提示，信息比較器將包的編號、中標(biāo)位置、中標(biāo)碼及對應(yīng)的處理方式等信息，發(fā)送給實(shí)現(xiàn)過濾功能的模塊，根據(jù)應(yīng)用的不同發(fā)送的內(nèi)容而有所不同。此技術(shù)性能較高，節(jié)約成本。例如一片每秒可以完成250M次比對的CAM芯片，采用18字節(jié)窗口匹配法進(jìn)行比較，可以達(dá)到250M*18，即4. 5GB/S的純數(shù)據(jù)流。使用每秒比較速度為62. 5M次，144位寬查找表深度為16K的低端CAM芯片就可以處理16. 071Gb/S的接入速度。ARM9系列產(chǎn)品的性能雖好，但價格較高，達(dá)到同等性能的產(chǎn)品市場價要幾千元；而renesas electronics的同類產(chǎn)品價格相對低廉，但性能遠(yuǎn)不及本發(fā)明中的上述指標(biāo)；而本發(fā)明中使用的CAM芯片市場價僅500元左右，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)性測試，匹配準(zhǔn)確性及中標(biāo)率在99. 9%以上，真正做到了低成本，高性能。


圖I為本發(fā)明方法流程圖；圖2、關(guān)鍵字長度為9個字節(jié)時的比較條件示意圖。
具體實(shí)施例方式CAM芯片每次可以比較144bit寬的數(shù)據(jù)，也就是18個字節(jié)，那我們所說的比對器窗口就是指比較器所能看到的連貫數(shù)據(jù)段上的范圍。我們的比對器窗口寬度是18個字節(jié)，允許的查找條件的長度范圍為[I 18]字 節(jié)，所以最長的字符串支持9個漢字或18個英文字母，至于多條件查詢時的情況每個條件可以作為一個查找條件出現(xiàn)，然后可根據(jù)實(shí)際使用系統(tǒng)規(guī)則再進(jìn)行相應(yīng)的分析處理即可。查找條件設(shè)計為了高效的對數(shù)據(jù)段進(jìn)行匹配查找，我們利用CAM芯片查找表資源過剩的特點(diǎn)，將要查找的關(guān)鍵字限定為設(shè)定長度，設(shè)定長度就是比對器窗口寬度，限定關(guān)鍵字的長度不能超過設(shè)定長度。舉例說明如圖2所示，關(guān)鍵字為A I的9個英文字母序列(選用英文字母序列進(jìn)行說明，主要是每個英文字母的碼長正好是I個字節(jié)，這樣看起來比較直觀，如果是漢字，雖然漢字的編碼是2字節(jié)，但是對于處理過程仍然是以字節(jié)為單位)，窗口寬度為18，為了每次比較的數(shù)據(jù)長度可以按窗口寬度進(jìn)行，我們這樣設(shè)計針對它的比較條件。當(dāng)關(guān)鍵字正處于窗口與窗口之間時，比如關(guān)鍵字一部分位于上一窗口數(shù)據(jù)的后段數(shù)據(jù)，而關(guān)鍵字剩余另一部分?jǐn)?shù)據(jù)在當(dāng)前窗口數(shù)據(jù)的前段數(shù)據(jù)中，如果在TCP/IP包的數(shù)據(jù)前段發(fā)生了窗口前中標(biāo)的情況，則進(jìn)行信息記錄，在下一個窗口比較時，就會關(guān)注相應(yīng)的窗口后中標(biāo)情況是否存在，如果存在則視為“中標(biāo)”，否則忽略。當(dāng)在數(shù)據(jù)包中發(fā)現(xiàn)完全匹配的關(guān)鍵字時，即為中標(biāo)。如果數(shù)據(jù)段長度不是18字節(jié)時，數(shù)據(jù)段尾不足18字節(jié)時需根據(jù)上一窗口的比較結(jié)果進(jìn)行判斷，如果上一窗口比較時發(fā)生了窗口后中標(biāo)的情況，則剩余全部數(shù)據(jù)段先左對齊進(jìn)行一次匹配比較，觀察是否存在相應(yīng)的窗口前中標(biāo)的情況，如果存在，則為中標(biāo)；如果不存在，然后再取TCP/IP包的數(shù)據(jù)段最后18字節(jié)進(jìn)行一次比較觀察是否存在窗口前中標(biāo)的情況，如果存在，則為中標(biāo)；否則，忽略。為了不會遺漏任何需要匹配的數(shù)據(jù)，即使部分匹配也會出現(xiàn)中標(biāo)提示，信息比較器將包的編號、中標(biāo)位置、中標(biāo)碼及對應(yīng)的處理方式等信息，發(fā)送給實(shí)現(xiàn)過濾功能的模塊。并且比較器根據(jù)窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字的匹配長度設(shè)定預(yù)警優(yōu)先級，匹配長度越長優(yōu)先級越高，從而及時發(fā)現(xiàn)最可能的匹配數(shù)據(jù)包。
權(quán)利要求
1.一種基于硬件CAM芯片的高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾方法，其步驟為 1)根據(jù)CAM芯片比較器的窗口寬度設(shè)定輸入關(guān)鍵字的最大長度；其中，比較器的窗口寬度為η字節(jié)，關(guān)鍵字的最大長度小于或等于η字節(jié)； 2)所述比較器從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中順序移位讀取η個字節(jié)作為比較器的窗口數(shù)據(jù)與輸入的關(guān)鍵字進(jìn)行匹配； 21)如果窗口數(shù)據(jù)包含匹配的關(guān)鍵字，則視為中標(biāo)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)包作為匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾出來； 22)如果窗口后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分匹配，即發(fā)生窗口后中標(biāo)，則比較器移位讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中后續(xù)η個字節(jié)作為比較器的窗口數(shù)據(jù)與該關(guān)鍵字進(jìn)行匹配，如果當(dāng)前窗口數(shù)據(jù)前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與該關(guān)鍵字剩余未匹配數(shù)據(jù)匹配，即發(fā)生窗口前中標(biāo)，則視為中標(biāo)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)包作為匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾出來；否則視為當(dāng)前數(shù)據(jù)包未中標(biāo)，比較器繼續(xù)移位讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)段中后續(xù)η個字節(jié)與關(guān)鍵字進(jìn)行匹配。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于如果前一個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段的最后一個窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字發(fā)生窗口后中標(biāo)，則在后續(xù)相鄰數(shù)據(jù)包的第一個比較窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字比較時，判斷是否發(fā)生窗口前中標(biāo)，如果是則視為中標(biāo)，將相關(guān)的兩個數(shù)據(jù)包作為匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾出來。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于如果比較器移位讀取到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段段尾，移位讀取的數(shù)據(jù)長度不足η字節(jié)時，比較器根據(jù)上一窗口的比較結(jié)果進(jìn)行判斷；如果上一窗口比較時發(fā)生了窗口后中標(biāo)，則比較器將上一窗口未匹配的剩余數(shù)據(jù)先左對齊與關(guān)鍵字進(jìn)行一次匹配，如果存在窗口前中標(biāo)，則視為中標(biāo)；否則，再取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段最后η個字節(jié)與關(guān)鍵字進(jìn)行比較，如果發(fā)生窗口前中標(biāo)，則視為中標(biāo)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于當(dāng)發(fā)生窗口前中標(biāo)或窗口后中標(biāo)時，比較器反饋預(yù)警提示信息給過濾模塊；所述反饋信息包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的編號、中標(biāo)位置、中標(biāo)碼及對應(yīng)的處理方式。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于當(dāng)窗口后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字后半段部分匹配，或窗口前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分匹配時，比較器反饋預(yù)警提示信息給過濾模塊；所述反饋信息包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的編號、中標(biāo)位置、中標(biāo)碼及對應(yīng)的處理方式。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述預(yù)警提示信息包括預(yù)警優(yōu)先級信息。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于比較器根據(jù)窗口數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字的匹配長度設(shè)定預(yù)警優(yōu)先級，匹配長度越長優(yōu)先級越高。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硬件CAM芯片的高效能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾方法，屬于網(wǎng)絡(luò)信息處理領(lǐng)域。本方法為1)根據(jù)CAM芯片比較器的窗口寬度n設(shè)定輸入關(guān)鍵字的最大長度；2)比較器從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中順序移位讀取n個字節(jié)與關(guān)鍵字進(jìn)行匹配；如果窗口數(shù)據(jù)包含匹配的關(guān)鍵字，則視為中標(biāo)；如果窗口后半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與關(guān)鍵字前半段部分匹配，則比較器移位讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段中后續(xù)n個字節(jié)與該關(guān)鍵字進(jìn)行匹配，如果當(dāng)前窗口數(shù)據(jù)前半段部分?jǐn)?shù)據(jù)與該關(guān)鍵字剩余未匹配數(shù)據(jù)匹配，即發(fā)生窗口前中標(biāo)，則視為中標(biāo)；否則視為當(dāng)前數(shù)據(jù)包未中標(biāo)，比較器繼續(xù)讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)段中后續(xù)n個字節(jié)與關(guān)鍵字進(jìn)行匹配。本發(fā)明匹配準(zhǔn)確性及中標(biāo)率在99.9％以上，性能高。
文檔編號H04L12/56GK102801617SQ201210277909
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者火一莽, 史延濤, 董雪 申請人:北京銳安科技有限公司