基于FTP協議網絡流量模擬的設計與實現

蔡艷麗

（91329部隊，山東威海264200）

基于FTP協議網絡流量模擬的設計與實現

蔡艷麗

（91329部隊，山東威海264200）

針對網絡實驗室中難以實現與真實網絡環境一致、需要進行網絡流量模擬的問題，提出了一種基于FTP協議的網絡流量模擬方案。基于FTP協議特點和網絡流量模擬需求，詳細分析了網絡流量模擬系統的架構、運行拓撲結構，設計了FTP流量的生成算法。通過實驗證明，實現的模擬系統可以對模擬流量的發送速度和時長進行設定，而且可以隨時進行更改，滿足了虛擬網絡流量的要求，為網絡安全試驗提供了模擬的網絡測試環境。

FTP協議；網絡流量；網絡流量模擬

目前，網絡安全實驗很多情況下是在獨立的實驗網絡環境下進行的，由于這些獨立的網絡環境雖然具備了實際應用網絡的拓撲結構，開放了相關的應用服務，但是這些服務并沒有實際網絡那樣的用戶訪問機制，因而這種網絡環境與實際網絡并不一致。網絡流量模擬是按照網絡協議所規定的格式構造模擬用戶訪問網絡時的數據包[1-3]，并將數據包發送到網絡上，產生真實的網絡流量。網絡流量模擬作為一種對實際網絡進行模擬與分析的方法，具有可信度高、使用范圍廣、應用成本低等特點。它已經成為網絡安全性能研究和測試所不可缺少的工具[4]。本文所描述的設計主要是對目前互聯網上FTP網絡流量[5-7]進行有效的模擬，與相應的服務器進行數據交換，從而生成符合真實網絡的網絡流量。

1 FTP概述

文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）是因特網網絡上歷史最悠久的網絡工具[8]。從1971年首次提出以來，FTP憑借其獨特的優勢一直都是因特網中最重要、最廣泛的服務之一，在現有網絡流量中占相當大比例，是基于TCP協議，用來在Internet環境中傳送文件。它指定了客戶可向服務器發送什么樣消息，并且得到什么樣的回應消息。每次交互由一個ASCII請求組成，隨后是一個類似與RFC 882 MIME的回應。

2 FTP流量模擬設計

2.1 總體設計

FTP流量模擬采用一個控制端加多個代理端，代理端用于生成FTP流量，控制端用于操作人員設置和并向代理端分配流量模擬參數。控制端通過接收用戶操作結果向代理端發送流量模擬的命令以及模擬所需的各種參數，代理端接收到控制端的命令后進行解析，按照模擬參數進行流量模擬，代理端將流量模擬的過程信息以及流量模擬的速度概況反饋到控制端，控制端對接收到的反饋進行處理后以用戶設置的形式進行綜合顯示，顯示分為文本和圖形兩個基本類別，便于用戶觀測流量模擬的全過程。[9]

構架采用平臺+插件的形式，平臺+插件結構是一種二進制的軟件集成方法，它將一個待開發的目標軟件分為2部分：一部分為程序的主體或主框架，定義為平臺；另一部分為功能擴展或補充模塊，定義為插件。FTP流量模擬以插件的形式實現。在進行整個軟件集成時只將需要的部件進行組裝，而不是集成各源代碼或鏈接庫進行編譯與鏈接，需要新的功能組件時也是按規定開發，之后只進行組裝軟件就可以使用。流量模擬系統的整體架構如圖1所示。

圖1 FTP流量模擬系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of FTP traffic simulation system

2.2 FTP流量模擬系統運行的拓撲結構

流量模擬系統的運行需要一臺工作站作為控制端、相應的FTP應用服務器，根據產生流量大小的需求配置若干臺工作站作為代理端，如圖2所示。

圖2 FTP流量模擬拓撲結構圖Fig.2 Topology structure chart of FTP traffic simulation

2.3 FTP數據格式設計

網絡流量是由一系列流[10]疊加形成的，因而FTP流量的模擬可以看成是生成一系列的網絡流。在此基礎上，對FTP流量進行分析，得出其屬性，包括：

IP，目的FTP服務器的IP地址；

PORT，目的FTP服務器的端口號；

TYPE，數據包類型，即包括登錄、文件請求、傳輸控制和數據傳輸數據包；

RATE，文件傳輸速率，即單位時間內傳輸文件的個數；

SIZE，文件大小，即平均每個文件的字節大小；NFIlE，傳輸文件的路徑名稱；

USER，登錄目的服務器的用戶名；PASSWORD，登錄目的服務器的密碼。

2.4 FTP流量生成算法

整個FTP流量生成過程包括8個步驟，算法流程如圖3所示。

圖3 FTP流量生成流程圖Fig.3 Flow chart of FTP traffic generate

步驟1：構造FTP數據包隊列；

步驟2：將FTP數據包隊列存入發送緩沖區；

步驟3：與FTP服務器建立連接，連接成功；

步驟4：向FTP服務器傳送發送緩沖區中的數據包；

步驟5：計算模擬過程剩余時長，時長小于零，轉到步驟8；

步驟6：校正模擬速度；

步驟7：反饋模擬過程信息，轉到步驟4；

步驟8：與FTP服務器斷開連接，結束模擬過程。

2.5 程序設計

由于FTP協議傳輸文件時分為控制連接和數據連接，直接用WinSocket[11]庫實現比較復雜，在編碼實現里并沒有采用WinSocket庫，而是采用WINET庫的API函數[12]。代碼如下：

從總發包時間內扣除此次發包消耗時間

為了精確地生成數據包的發送時間間隔，給模擬提供高精度的計時，需要一個精確的計時器，而Windows本身提供的計時功能只能進行ms級的定時操作，無法滿足模擬過程的需要。因此，利用計算機的硬件來設計精確的計時操作。

高精度計時器主要利用2個API函數來實現，分別是：QueryPerformancFrequency()//取得CPU的硬件計數器頻率；QueryPerformanceCounter()//取得當前硬件的計數器值。這2個函數的使用要求計算機從硬件上支持精確定時器。

高精度計時器的實現步驟。

步驟1：調用QueryPerformancFrequency()函數取得高精度運行計數器的頻率，單位是每秒多少次；

步驟2：在需要定時的代碼兩端分別調用Query-PerformanceCounter()以取得高精度運行計數器的數值pre、now，2次數值的差值通過f換算成時間間隔interval，因而interval=(tStart-tEnd)/f，當interval大于或等于定時時間長度時，啟動定時器。

2.6 設計實現

基于FTP協議的網絡流量模擬實現了在局域網環境中產生網絡流量的功能，產生網絡流量的速率和時長可根據用戶需求調節，滿足用戶對FTP流量模擬的需求；采用集中控制方式，即由一臺控制端控制整個運行過程，用戶絕大部分操作集中在控制端，便于用戶操作和管理；產生流量的信息以圖形化形式顯示，便于用戶掌握網絡流量的整體狀況；各個代理端的運行狀態采用在控制端集中顯示的方式，便于用戶觀察分析流量產生過程；采用插件式開發，便于系統功能的擴充，提高開發效率[13]。FTP流量生成見圖4。

圖4 FTP流量生成圖Fig.4 Generated chart of FTP traffic

3 結束語

本文在與外界隔絕的網絡中通過模擬FTP流量生成具有真實網絡特性的網絡流量，在絕對安全的情況下對網絡攻擊進行研究提供了真實的網絡實驗環境。但是在產生網絡流量的性能上還存在需要進一步完善的地方，即生成流量的速率問題，尋求提高產生流量速度的方法，減少所需代理端的數量，以進一步提高產生流量的效率。

[1]FLOL YD S，JACOBSON，et al.A reliable multicast framework for light-weight sessions and application level framing[J].ACM/IEEE Transactions on Networking，1997，5（6）：784-803.

[2]DOUGLAS E COMER，DAVID L STEVENS.用TCP/IP進行網際互連（第2卷）：設計、實現和內部構造[M].2版.張娟，王海，譯.北京：電子工業出版社，2001：188-192. DOUGLAS E COMER，DAVID L STEVENS.Using TCP/IP internetworking（Volume 2）：design，implementation and internal structure[M].2nd ed.ZHANG JUAN，WANG HAI，translation.Beijing：Electronic Industry Publishing House，2001：188-192.（in Chinese）

[3]徐雷鳴，龐博，趙耀.NS與網絡模擬[M].北京：人民郵電出版社，2003：75-81. XU LEIMING，PANG BO，ZHAO YAO.NS and network simulation[M].Beijing：People Post Press，2003：75-81.（in Chinese）

[4]竇文華，張鶴穎，劉志峰.計算機網絡前沿技術[M].長沙：國防科技大學出版社，2007：82-88. DOU WENHUA，ZHANG HEYING，LIU ZHIFENG. Computer network cutting-edge technology[M].Changsha：National Defense University Press，2007：82-88.（in Chinese）

[5]SANG AIMIN，LI SANQI.Predictability analysis of network traffic[C]//Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. 2000：198-195.

[6]FELDMANN A，GILBERT A C，HUANG P，et al.Dynamics of IP traffic：a study of the role of variability and the impact of control[C]//SIGCOMM’99.1999：125-131.

[7]韓良秀.基于流量的網絡性能研究[D].上海：復旦大學，2002. HAN LIANGXIU.Network performance research based on traffic[D].Shanghai：Fudan University，2002.（in Chinese）

[8]謝希仁.TCP/IP協議族[M].北京：清華大學出版社，2006：215-221. XIE XIREN.TCP/IP protocol suite[M].Beijing：Tsinghua University Press，2006：215-221.（in Chinese）

[9]陳金陽，蔣建中，張良勝.FTP協議分析及其客戶端程序實現[J].計算機工程與應用，2005，32（6）：130-132. CHEN JINYANG，JIANG JIANZHONG，ZHANG LIANGSHENG.FTP client protocol analysis and program implementation[J].Computer Engineering and Applications，2005，32（6）：130-132.（in Chinese）

[10]JAECHEOL KIM，EUNSIL HONG，YANGHEE CHOI. Measurement and analysis of a massively multiplayer online role playing game traffic[C]//Proceedings of 4th ACM SIGCOMM Workshop on Network and System Support for Games.2005：1-8.

[11]羅軍舟.TCP/IP協議及網絡編程技術[M].北京：清華大學出版社，2004：315-321. LUO JUNZHOU.TCP/IP protocol and network programming technology[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004：315-321.（in Chinese）

[12]雷斌，楊建華，黃超，等.Visual C++6.0網絡編程技術[M].北京：人民郵電出版社，2000：175-182. LEI BIN，YANG JIANHUA，HUANG CHAO，et al.Visual C++6.0 network programming technology[M].Beijing：People's Posts and Telecommunications Press，2000：175-182.（in Chinese）

[13]BAJAJ S，BRESLAUL，ESTRIN D，et al.Simulation for network research[R].Los Angeles：USA USC Computer Science Department，1999：205-211.

Design and Implementatiioonn of Network Traffic Simulation Based on FTP

CAI Yan-li
（The 91329thUnit of PLA,Weihai Shandong 264200,China）

For the difficult to achieve in the laboratory network is consistent with real network environment and the need for network traffic simulation,a network traffic simulation resolution is proposed based on FTP protocol.Based on the characteristics of the FTP protocol and the needs of the network traffic simulation,the structure and the operation of the network were analyzed in detail.The network topology,traffic simulation system was also designed based on FTP traffic generation algorithm.The experiments showed that the simulation system could achieve transmission speed and duration of the flow simulation set and it,could be changed at any time to meet the requirements of the virtual network traffic.

FTP;network traffic;network traffic simulation

TP391.9

A

2014-02-20；

2014-03-17

蔡艷麗（1986-），女，碩士。

1673-1522（2014）03-0221-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.03.005