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第八章 解复用

第八章 解复用. 什么是解复用（ demultiplexing ）. 解复用 ： 协议将收到的消息分发给合适的客户 。 分层解复用 ： 利用包含在消息各层协议头中的解复用域逐层进行 。 提前解复用 （ early demultiplexing ）： 消息 到达时，使用一个操作确定 消息 要经过的整条协议路径 。. 分层解复用示意图. 为什么要提前解复用. 在用户空间实现协议栈， 减少 上下文切换 。 将不同应用的包流分开，进行显式调度，如： 优先处理重要的包； 尽快丢弃超载应用的包，避免接收端活锁； 保证某些应用的服务质量，等等。

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第八章 解复用

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  1. 第八章 解复用

  2. 什么是解复用（demultiplexing） • 解复用： • 协议将收到的消息分发给合适的客户。 • 分层解复用： • 利用包含在消息各层协议头中的解复用域逐层进行。 • 提前解复用（early demultiplexing）： • 消息到达时，使用一个操作确定消息要经过的整条协议路径。

  3. 分层解复用示意图

  4. 为什么要提前解复用 • 在用户空间实现协议栈，减少上下文切换。 • 将不同应用的包流分开，进行显式调度，如： • 优先处理重要的包； • 尽快丢弃超载应用的包，避免接收端活锁； • 保证某些应用的服务质量，等等。 • 定制路径：为确定的包处理路径定制高效的处理代码。 • 快速分发：消除每一层上的解复用代码，以及由逐层解复用产生的控制开销。

  5. 包过滤器（包分类器） • 实现提前解复用的数据结构，称为包过滤器或包分类器。 • 包过滤器： • 以完整的包头作为输入，将包映射到一条路径的端点； • 端点代表最终处理该包的应用进程； • 路径代表在包交给端点之前，需要用来处理该包的一个协议序列。

  6. 算法设计目标 • 安全性： • 包过滤器由用户级程序提供，在内核实现，应确保用户之间不相互影响。 • 高速度： • 解复用必须实时完成。 • 可组合性： • 应能将N个独立的包过滤器组合为一个复合的包过滤器，并获得更高的匹配速度。

  7. 8.1 CMU/Stanford包过滤器（CSPF） • 应用程序提供给内核一个包过滤器，用于处理收到的包。若某个包为应用 A 希望接收的，A的包过滤器返回“真”。 • 包过滤器是一段程序，用来对描述包特征的表达式树进行求值。 • 为保证安全性： • 使用能力有限的堆栈指令； • 监视堆栈引用，以保证引用与堆栈范围一致； • 检查包的引用，以保证引用在包长范围之内。

  8. CSPF的表达式树模型

  9. CSPF的问题 • 架构不匹配：CSPF堆栈模型是为PDP-11发明的，和现代的RISC架构很不匹配。 • 模型低效：表达式树模型经常导致更多的操作（不能记住包的解析状态）。 • 只能解析包头中固定偏移位置的域。 • 为了约束运行时间，没有跳转或循环结构。

  10. 8.2 Berkeley Packet Filter（BPF） • 用基于寄存器的语言替换了基于堆栈的语言，以与RISC架构相匹配。 • 使用一个间接操作符将指定偏移位置的域装入寄存器，从而可以访问非固定偏移位置的域，比如Load[14]。 • 可以进行比较和跳转操作。 • 使用一个控制流图模型（状态机）进行计算，可减少比较操作的次数。

  11. BPF的控制流图模型

  12. BPF内置于OS内核

  13. BPF的扩放性 • BPF提高了单个过滤器的匹配速度，但是每个包仍然必须与每一个过滤器比较，处理时间为O(n)。 • BPF应用于提前解复用，有扩放性问题： • 一个繁忙的服务器中，并发的TCP连接数可能很大，每一个TCP连接可能提供一个包过滤器。

  14. 8.3 Pathfinder • 设想有500个过滤器，每个过滤器具有相同的Ethernet type =IP和 IP protocol =TCP，只是TCP端口对不同。 • BPF的问题： • 用到来的包与每个过滤器匹配，需比较500次Ethernet type 和 500次IP protocol。重复！ • 用包的端口号与500个过滤器的端口号逐个比较，类似于通过线性查找进行精确匹配。 低效！

  15. Pathfinder的设计思想 • 合并N个包过滤器为一个复合过滤器： • 将在同一个包头域上进行的比较放在一个节点中； • 每个节点实现为一个哈希表，用哈希查找代替线性查找。

  16. Pathfinder的数据结构示例

  17. Pathfinder 推广了 Trie • Trie是一种树结构： • 每个节点包含一个<value, pointer>数组；每个value对应一个固定字符集中的一个取值，pointer指向对应该值的一个subtrie。 • 在Trie上查找一个关键字： • 将关键字划分成字符；从树根开始，用第 i 个字符作为索引查找路径上的第 i 个节点，得到指向第（i+1）个节点的指针。 • pathfinder结构是Trie的推广： • 在每个节点上，包头域代替了要查找的字符，哈希表代替了数组。

  18. Pathfinder的技术细节 • Pathfinder的最基本单位称为一个cell。 • 一个cell描述了包头中的一个域（用偏移量、长度和掩码表示）、一个比较值和一个指针。 • 举例： • 检查IP protocol是否为TCP： • cell = (9, 1 ,0xff, 6, Ptr)。

  19. Line 和 pattern • 将一组cell串在一起，构成一个line。 • 若一个line中的所有cell匹配一个包，就说这个line匹配这个包。 • 直观上，一个line匹配一个协议头，一个cell匹配协议头中的一个域。 • 在最简单的情形中，协议用一个pattern =<hdrlen, line>描述希望进行的匹配，hdrlen给出协议头的长度。

  20. 举例

  21. Pathfinder的问题 • Pathfinder的软件实现达不到线速，硬件实现不能处理分片的复杂情况。 • 两个原因导致Pathfinder的软件实现很慢： • 解释开销： • Pathfinder代码在一定程度上是在解释执行cell。 • 安全检查开销： • 运行时检查包头域的引用是否在包的边界内。 • 实时检查一个包头域的引用是否字对齐。

  22. 举例：Pathfinder的解释开销 • cell C = <offset, length, mask, value>，检查数据包 P 是否匹配 C 的最小机器代码是：

  23. 8.4 Dynamic Packet Filter（DPF） • 通过动态重编译为每个新加入的cell生成优化的代码，消除解释开销： • DPF在创建代码时，将cell的参数作为立即数硬编码到机器码中。

  24. DPF（续） • 利用编译时的知识优化实时安全检查： • 编译时知道任何一个cell指定的最大偏移量，只需在包处理前检查一次，保证最大偏移量在当前包的边界内。 • 绝大部分引用的对齐检查在编译时完成，编译时无法推断的引用才在运行时检查。 • 其它优化： • 利用编译时的知识，将对几个较小的相邻域的访问合并为一次较大的内存访问。

  25. 8.5 总结 • CSPF：首次将解复用和包处理分离，并将应用提供的包过滤器安全地输出到内核。 • BPF：用基于寄存器的状态机模型替换了CSPF基于堆栈的表达式树，以适应底层架构。 • Pathfinder：利用推广的trie结构提取包过滤器中的公共比较，将N个BPF过滤器合并为一个综合过滤器。 • DPF：利用动态重编译技术优化了pathfinder的执行。

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