引 言

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)是由指揮車、戰(zhàn)車等多用途車輛，以其車內(nèi)局域網(wǎng)為節(jié)點(diǎn)組成的廣域網(wǎng)絡(luò)。采用各種戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)通信，其環(huán)境情況由于復(fù)雜的電磁干擾和快速移動(dòng)的自身特點(diǎn)而多變，通信保障人員需要隨時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)，因此提供一種行之有效的網(wǎng)絡(luò)性能管理方法至關(guān)重要。

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括系統(tǒng)吞吐率、鏈路使用率、網(wǎng)管消息的延遲時(shí)間、丟包率、網(wǎng)管消息的冗余度等[1]。網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控是網(wǎng)絡(luò)性能管理的一個(gè)重要方法，包括實(shí)時(shí)獲悉流量信息，長時(shí)間的流量收集、分析與統(tǒng)計(jì)，為網(wǎng)絡(luò)管理人員提供帶寬規(guī)劃與趨勢(shì)分析報(bào)告等[2]。

通常采用的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控技術(shù)包括基于網(wǎng)絡(luò)流量全鏡像監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于SNMP的監(jiān)測(cè)技術(shù)和基于NetFlow的監(jiān)測(cè)技術(shù) [3]。上述三種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，均需依賴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供硬件支持。戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常會(huì)處理多種設(shè)備的報(bào)文交換和其他數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)荷較重，且通信鏈路帶寬較窄， 研究一種不依賴網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、盡可能減少帶寬占用的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)方法能夠有效提高戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)性能管理。

本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于 WinPcap[4] 的分布式數(shù)據(jù)包捕獲分析系統(tǒng)，以減輕網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)荷，高效、快速的對(duì)車內(nèi)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能狀況進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)包分析， 為通信人員提供決策輔助。通過逐級(jí)上報(bào)，將各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)絡(luò)管理中心后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析即可明確全網(wǎng)性能態(tài)勢(shì)。

1 戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的通信系統(tǒng)特點(diǎn)分析

戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境可視為一個(gè)廣域網(wǎng)，由多種有線網(wǎng)、無線電臺(tái)網(wǎng)和野戰(zhàn)局域網(wǎng)組成。野戰(zhàn)局域網(wǎng)分布于不同用途的車輛中，由多種通信設(shè)備，一臺(tái)交換設(shè)備（網(wǎng)關(guān)）和一至多臺(tái)戰(zhàn)術(shù)終端和服務(wù)器構(gòu)成。數(shù)據(jù)由終端和服務(wù)器產(chǎn)生，經(jīng)網(wǎng)關(guān)由通信設(shè)備傳輸至廣域網(wǎng)。戰(zhàn)術(shù)通信以大量電臺(tái)作為通信手段，但其通信帶寬有限，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力有限 [5] ；戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，影響數(shù)據(jù)傳輸，丟包率較高[6] ；由于網(wǎng)關(guān)承擔(dān)了對(duì)外數(shù)據(jù)交換的任務(wù)，導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)負(fù)荷較重。

在戰(zhàn)斗和訓(xùn)練過程中，通信保障人員關(guān)注的重點(diǎn)是車內(nèi)局域網(wǎng)對(duì)當(dāng)前需要發(fā)送的報(bào)文、短語的承載能力，因此網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通性和拓?fù)渥兓闆r，節(jié)點(diǎn)間通信手段的變化情況、通信容量和吞吐量，報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率等內(nèi)容[7]，以及性能指標(biāo)時(shí)延、帶寬、流量、丟包率等指標(biāo)[8]。

2 戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)包捕獲分析的分布式模型設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)。戰(zhàn)術(shù)終端和圖形服務(wù)器的負(fù)荷相對(duì)于網(wǎng)關(guān)較輕，其配置也較高。將性能管理的工作分配到每一臺(tái)終端和服務(wù)器上，構(gòu)成一套分布式系統(tǒng)，不僅減輕了網(wǎng)關(guān)的計(jì)算工作量，還可通過多臺(tái)計(jì)算機(jī)的分布式處理彌補(bǔ)計(jì)算能力不足的缺陷。

通過數(shù)據(jù)包捕獲的方式從網(wǎng)卡采集數(shù)據(jù)，不占用有限的帶寬，方式靈活，還可對(duì)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的抓取，并統(tǒng)計(jì)分析，以圖文報(bào)表的形式呈現(xiàn)給指揮人員作為解決網(wǎng)絡(luò)瓶頸、提高網(wǎng)絡(luò)性能的依據(jù)。

2.1 WinPcap簡(jiǎn)介

WinPcap 是 Politecnico di Torino 的 NetGroup 小 組 開發(fā)的基于Win32 平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫捕獲和網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)架構(gòu)，從UNIX 下的Libpcap 移植而來，用于用戶層次的數(shù)據(jù)包捕獲工作。

WinPcap 采用內(nèi)核過濾機(jī)制，主要包括內(nèi)核級(jí)的數(shù)據(jù)包監(jiān)聽設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，低級(jí)動(dòng)態(tài)鏈接庫（Packet.dll）和高級(jí)系統(tǒng)無關(guān)庫（Wpcap.dll）。WinPcap 內(nèi)部結(jié)構(gòu)[9]如圖 1 所示。

WinPcap 三個(gè)模塊的作用如下所示：

(1) NPF（NetgroupPacketFilter，NPF） 是一個(gè)虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序文件，工作在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)上，是 WinPcap架構(gòu)的核心?？蛇^濾數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包原封不動(dòng)地傳給用戶態(tài)模塊。

(2) Packet.dll是一個(gè)用戶級(jí)動(dòng)態(tài)鏈接庫，為Win32平臺(tái)提供了一個(gè)公共接口。Packet.dll直接映射了內(nèi)核的調(diào)用，運(yùn)行在用戶層，將應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)包監(jiān)聽設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隔離開，使得應(yīng)用程序可以不加任何修改的運(yùn)行在不同版本的Windows 系統(tǒng)中。

(3) Wpcap.dll也是一個(gè)用戶級(jí)動(dòng)態(tài)鏈接庫， 工作在Packet.dll上，與應(yīng)用程序鏈接，使用下層Packet.dll提供的服務(wù)向應(yīng)用程序提供完善的監(jiān)聽接口和更加友好、功能更加強(qiáng)大的函數(shù)調(diào)用[10]。

WinPcap不依賴其它設(shè)備提供硬件支持，例如SNMP需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或通信設(shè)備提供設(shè)備代理，提供MIB供網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)查詢以獲取網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控信息。WinPcap可以直接采集本機(jī)網(wǎng)卡的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，不耗費(fèi)有限的帶寬資源。

2.2 分布式網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為服務(wù)器 / 客戶端架構(gòu)，如圖 2 所示。

在車內(nèi)局域網(wǎng)的每臺(tái)戰(zhàn)術(shù)終端部署以 WinPcap 為基礎(chǔ)構(gòu) 成的流量分析客戶端。由客戶端有針對(duì)性地抓取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 包，按照設(shè)置的時(shí)間段統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，并通過圖文報(bào)表的形 式將本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)流量及告警信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)給用戶；同時(shí)將統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)匯總到服務(wù)器，由服務(wù)器承擔(dān)全車數(shù)據(jù)的匯總分析任務(wù)。 將所有客戶端的流量數(shù)據(jù)匯總后可將其視為本車節(jié)點(diǎn)在廣域網(wǎng) 中的交互數(shù)據(jù)，因此由服務(wù)器進(jìn)一步分析本節(jié)點(diǎn)流量數(shù)據(jù)后可 掌握本車的有效帶寬、報(bào)文來源、報(bào)文協(xié)議、長度等，構(gòu)成了 分布式網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)。

車內(nèi)局域網(wǎng)將本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)上報(bào)至上級(jí)網(wǎng)絡(luò)管 理中心，通過逐級(jí)匯總至頂層分析全網(wǎng)性能，由此構(gòu)成廣域網(wǎng) 的網(wǎng)絡(luò)性能態(tài)勢(shì)信息。

2.3 性能管理系統(tǒng)客戶端模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)性能管理系統(tǒng)的功能區(qū)分，將性能管理系統(tǒng)客戶端分為數(shù)據(jù)包抓取、數(shù)據(jù)包分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)上報(bào)/ 匯總五個(gè)模塊。客戶端的模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作流程分別如圖 3 和圖 4 所示。

數(shù)據(jù)包抓取分為流量統(tǒng)計(jì)和包過濾兩部分。流量統(tǒng)計(jì)可根據(jù) WinPcap 提供的統(tǒng)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)流量統(tǒng)計(jì)功能。包過濾方式無法與統(tǒng)計(jì)模式并存，因此采用多線程方式可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種模式的數(shù)據(jù)包抓取。

數(shù)據(jù)包抓取完成后由數(shù)據(jù)包分析模塊根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的協(xié)議類型分析數(shù)據(jù)包，根據(jù)報(bào)文、短語協(xié)議類型設(shè)計(jì)了 TCP、UDP、ICMP 等分析對(duì)象，通過解析以太網(wǎng)幀獲得源、目的IP 地址、端口、包長等詳細(xì)信息。通過進(jìn)一步分析可以獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，如根據(jù)統(tǒng)計(jì)流量計(jì)算出當(dāng)前有效數(shù)據(jù)量；統(tǒng)計(jì)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)量，結(jié)合當(dāng)前信道的帶寬計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)擁塞率 ；根據(jù)有效數(shù)據(jù)和主機(jī)收發(fā)的所有數(shù)據(jù)計(jì)算出有效帶寬等。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過WinPcap轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能將包數(shù)據(jù)保存為自定義格式的文件，為適應(yīng)大數(shù)據(jù)計(jì)算的需要，還可考慮采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如MongoDB等數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

人機(jī)界面模塊可以實(shí)時(shí)為用戶展示當(dāng)前流量信息，采用柱狀圖、餅圖等統(tǒng)計(jì)圖表呈現(xiàn)直觀的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)上報(bào)/ 匯總模塊分別處于客戶端和服務(wù)器端，客戶端通過數(shù)據(jù)上報(bào)模塊將本終端采集的數(shù)據(jù)匯總后上報(bào)至服務(wù)器端；服務(wù)器端除完成本端數(shù)據(jù)采集匯總后，還負(fù)責(zé)將車內(nèi)局域網(wǎng)的所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步匯總后形成本車局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2.4 廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集分析

通過局域網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)需要上報(bào)到上級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理中心進(jìn)行本域的網(wǎng)絡(luò)性能分析。但受限于戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的帶寬，無法將大量數(shù)據(jù)上傳到上級(jí)管理中心。因此采用按需索取的方式，由上級(jí)管理中心主動(dòng)索取，各節(jié)點(diǎn)選擇主要的性能數(shù)據(jù)上報(bào)到上級(jí)管理中心。根據(jù)實(shí)際編制可分為一級(jí)或多級(jí)管理域，由各級(jí)管理中心匯集本域內(nèi)的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過逐級(jí)上報(bào)的方式匯總到頂層網(wǎng)絡(luò)管理中心，由此繪制出本廣域網(wǎng)的性能態(tài)勢(shì)。同時(shí)采用離線方式采集各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總到管理中心。借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘處理，分析各時(shí)間段內(nèi)報(bào)文、短語數(shù)據(jù)的發(fā)送特點(diǎn)，優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，合理使用通信設(shè)備， 充分發(fā)揮通信網(wǎng)絡(luò)效能。

3 結(jié) 語

通過本文設(shè)計(jì)的分布式網(wǎng)絡(luò)性能管理系統(tǒng)，可降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的依賴，不占用有限帶寬，將數(shù)據(jù)采集、分析等耗費(fèi)計(jì)算機(jī)資源的工作分?jǐn)偟杰噧?nèi)局域網(wǎng)的各種終端和服務(wù)器上， 減少了計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)性能管理的效率。

通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能，然而由于戰(zhàn)術(shù)環(huán)境帶寬的限制，如何以盡量少的開銷實(shí)時(shí)上報(bào)性能數(shù)據(jù)， 車內(nèi)局域網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)如何高效、快捷地匯總并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘處理都是難點(diǎn)，而這也是下一步需要解決的問題。