基于SharpPcap的IP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

勇紅亮

摘要：為了解決目前IP網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)視面臨的各種問(wèn)題，該文實(shí)現(xiàn)了一種基于SharpPcap的IP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)。首先介紹了SharpPcap框架，然后說(shuō)明了數(shù)據(jù)交換協(xié)議解析和鏈路時(shí)延計(jì)算功能的實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)分析了系統(tǒng)監(jiān)控界面UI設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。最后通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，為IP網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

關(guān)鍵詞：SharpPcap;協(xié)議解析;監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）26-0043-03

1 背景

IP網(wǎng)承擔(dān)航天測(cè)控關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸工作，相關(guān)崗位人員在航天測(cè)控任務(wù)中需要實(shí)時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，目前崗位人員使用wireshark軟件以及編寫的Lua插件對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。隨著航天測(cè)控任務(wù)種類的逐漸增多，目前現(xiàn)有監(jiān)控手段存在以下問(wèn)題：

1）現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的捕獲、統(tǒng)計(jì)信息顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄均依靠wireshark軟件，wireshark本身是針對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)嗅探和分析的軟件，沒(méi)有針對(duì)航天測(cè)控任務(wù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行優(yōu)化，因此成為提升監(jiān)視能力的瓶頸;

2）目前運(yùn)行在wireshark下的Lua插件，雖可以完成相關(guān)統(tǒng)計(jì)和報(bào)警功能，但是統(tǒng)計(jì)結(jié)果以文字進(jìn)行顯示，且異常信息提示不明顯，信息統(tǒng)計(jì)顯示不清晰，給崗位人員監(jiān)視帶來(lái)不便;

3）在任務(wù)高碼率箭遙原碼傳輸條件下，數(shù)據(jù)速率發(fā)生過(guò)快，Lua插件易發(fā)生卡頓現(xiàn)象;在任務(wù)多目標(biāo)測(cè)控條件下，測(cè)控目標(biāo)增多，導(dǎo)致發(fā)送數(shù)據(jù)種類增多，Lua插件目前因無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分頁(yè)顯示功能，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)顯示更新，以上均給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視帶來(lái)不利影響;

4）專業(yè)組在統(tǒng)計(jì)事后數(shù)據(jù)分析時(shí)，需要二次進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，缺乏一鍵生成報(bào)告的功能。

因此，急需開發(fā)一套監(jiān)視系統(tǒng)解決上述問(wèn)題。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于SharpPcap框架的IP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有清晰的監(jiān)控界面、準(zhǔn)確的協(xié)議解析、詳細(xì)的信息展示和及時(shí)的告警提示等功能，有效解決了IP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中存在的上述問(wèn)題。

2 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 SharpPcap框架

能夠捕獲到經(jīng)過(guò)交換設(shè)備的數(shù)據(jù)包是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的首要條件，如果從底層代碼開始編寫捕獲程序?qū)⒚媾R許多困難，為減少相關(guān)工作帶來(lái)的困難，本監(jiān)視系統(tǒng)直接利用了SharpPcap數(shù)據(jù)包捕獲框架。它不僅能夠支持大流量數(shù)據(jù)捕獲，也可以使用隊(duì)列對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖與相關(guān)統(tǒng)計(jì)。

SharpPcap包括兩個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)：SharpPcap.dll和PacketDotNet.dll，前者主要處理網(wǎng)絡(luò)部分，后者主要對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理。

2.2 數(shù)據(jù)交換協(xié)議解析功能的實(shí)現(xiàn)

由于SharpPcap中沒(méi)有封裝數(shù)據(jù)交換協(xié)議對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包類，因此我們首先需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議類，然后依靠數(shù)據(jù)交換協(xié)議底層協(xié)議（UDP）中載荷屬性保存的上層數(shù)據(jù)對(duì)協(xié)議進(jìn)行解析。在SharpPcap中，UDP類的載荷屬性為PayloadData，該屬性會(huì)返回一個(gè)byte數(shù)組，該數(shù)據(jù)保存了上層協(xié)議的全部信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)交換協(xié)議格式對(duì)byte數(shù)組進(jìn)行分割、解析即可獲得數(shù)據(jù)交換協(xié)議數(shù)據(jù)各個(gè)字段的詳細(xì)值。

此外，在數(shù)據(jù)解析功能模塊中，我們還需要根據(jù)數(shù)據(jù)交換協(xié)議數(shù)據(jù)的接收方向、發(fā)送方向、數(shù)據(jù)標(biāo)志等信息區(qū)分不同的數(shù)據(jù)交換協(xié)議信息流，從而實(shí)現(xiàn)不同信息流的收包、丟包、亂序和重復(fù)情況的統(tǒng)計(jì)。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議信息流的類，它主要由數(shù)據(jù)交換協(xié)議streamID、數(shù)據(jù)交換協(xié)議streamIdentification、數(shù)據(jù)交換協(xié)議LostNum等多個(gè)屬性構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)交換協(xié)議streamID記錄數(shù)據(jù)交換協(xié)議信息流的編號(hào)，數(shù)據(jù)交換協(xié)議streamIdentification代表了某個(gè)信息流的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，該標(biāo)識(shí)號(hào)通過(guò)接收方向、發(fā)送方向、數(shù)據(jù)標(biāo)志等屬性組合而成。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，只需找到標(biāo)識(shí)號(hào)即可獲取某一信息流的收包、丟包和亂序等統(tǒng)計(jì)情況。

2.3 鏈路時(shí)延的計(jì)算

在IP網(wǎng)中，一般情況下鏈路的時(shí)延檢測(cè)主要依靠Ping程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ping程序通過(guò)ICMP echo Request請(qǐng)求包和echo Reply回應(yīng)包來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)延計(jì)算，ICMP報(bào)文本身并沒(méi)有記錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)延信息。

由于本系統(tǒng)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的捕獲，并不發(fā)送或接收ICMP報(bào)文，無(wú)法直接通過(guò)捕獲到的ICMP報(bào)文信息得到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延信息。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)ICMP報(bào)文流類ICMPstream，該類由圖 1所示的10種屬性組成，我們用對(duì)某一方向上的ICMP Request報(bào)文到達(dá)系統(tǒng)捕獲網(wǎng)卡時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算出有關(guān)時(shí)延的所有信息。當(dāng)系統(tǒng)捕獲到一個(gè)ICMP報(bào)文后，首先區(qū)分報(bào)文類型，如果是Request包，則根據(jù)ICMPstreamIdentification屬性判斷是否是一個(gè)新的ICMP報(bào)文流，如果是，則加入ICMP報(bào)文流列表中;如果不是，則更新找到ICMP報(bào)文流中的到達(dá)時(shí)間;如果是reply包，首先根據(jù)ICMPstreamIdentification屬性判斷是否為存在的ICMP報(bào)文流，如果是，則計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并根據(jù)條件更新最小、最大、平均時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和時(shí)延方差等信息，時(shí)延抖動(dòng)大于設(shè)定值時(shí)，將發(fā)出告警信息。

2.4 讀取XML文件

由于不同任務(wù)中，發(fā)射場(chǎng)區(qū)、指控中心以及數(shù)據(jù)交換協(xié)議協(xié)議中BID代表的含義均會(huì)發(fā)生變化，如果直接在系統(tǒng)編碼中實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的解析與翻譯，會(huì)導(dǎo)致針對(duì)不同任務(wù)都需重新編譯軟件的問(wèn)題，降低系統(tǒng)的靈活性和可操作性。為解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)使用了XML語(yǔ)言來(lái)記錄經(jīng)常需要變化的值。

XML是一種可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，可以兼容跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，它主要用途是用來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)是什么，以及攜帶的數(shù)據(jù)信息。在本系統(tǒng)中，崗位人員將可能會(huì)變化的數(shù)據(jù)提前保存至XML文件中，然后通過(guò)實(shí)時(shí)讀取的方式，獲取這部分的數(shù)值;當(dāng)任務(wù)需求發(fā)生改變時(shí)，直接對(duì)XML配置文件修改即可。這樣不僅提高了系統(tǒng)的靈活性和可操作性，而且配合例如Notepad++等文本編輯器可大大簡(jiǎn)化配置信息的錄入過(guò)程。

2.5 系統(tǒng)架構(gòu)

綜上，系統(tǒng)應(yīng)該具備如圖2所示的六大功能模塊，其中數(shù)據(jù)捕獲模塊主要負(fù)責(zé)網(wǎng)卡工作模式和參數(shù)的配置和選擇，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲;數(shù)據(jù)解析模塊負(fù)責(zé)對(duì)捕獲的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議解析，重點(diǎn)對(duì)PDXP協(xié)議和ICMP協(xié)議進(jìn)行相關(guān)處理;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊利用數(shù)據(jù)解析模塊生成的原始數(shù)據(jù)結(jié)合從XML讀取的相關(guān)配置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，生成相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類;告警信息模塊主要根據(jù)異常閾值的設(shè)置和告警信息模塊的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)告警，告警方式分為聲音告警和文字告警;報(bào)告導(dǎo)出模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)，存儲(chǔ)輸出為Excel報(bào)告;數(shù)據(jù)顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的內(nèi)部形式與崗位人員可以直接接受形式之間的轉(zhuǎn)換，以表格、實(shí)時(shí)曲線、文字等多種表達(dá)形式，準(zhǔn)確、迅速、直觀地反映監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，為崗位人員決策提供有力支持。

3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 監(jiān)控界面UI設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)捕獲數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、刷新頻率快，而且系統(tǒng)的屏幕顯示內(nèi)容是崗位人員與系統(tǒng)溝通的唯一途徑，是獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的唯一方式，因此監(jiān)控界面的UI設(shè)計(jì)必須便于崗位人員直觀、快速、準(zhǔn)確地獲取系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況。在軟件交互設(shè)計(jì)中，用戶界面是交互設(shè)計(jì)結(jié)果的自然體現(xiàn)，它是一個(gè)復(fù)雜的由不同學(xué)科參與的工程。根據(jù)軟件易于控制、減少記憶負(fù)擔(dān)以及界面一致性三個(gè)原則，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工作環(huán)境和崗位人員需求，對(duì)系統(tǒng)界面UI設(shè)計(jì)提出如下要求：

1）界面設(shè)計(jì)整體視覺(jué)效果清楚明了，風(fēng)格配色統(tǒng)一和諧，沒(méi)有模糊表達(dá)數(shù)據(jù);

2）根據(jù)歷年來(lái)崗位人員操作經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)視習(xí)慣，采用功能分區(qū)顯示的方式，對(duì)監(jiān)控信息進(jìn)行分類集中顯示，并實(shí)時(shí)刷新最新數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果;

3）對(duì)于連續(xù)變化的值采取曲線圖方式展現(xiàn)，并可根據(jù)時(shí)間變化自動(dòng)發(fā)生改變;

4）對(duì)于異常信息應(yīng)分類發(fā)出明顯提示。

最終，經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)的最終界面設(shè)計(jì)效果如圖 3所示，該界面設(shè)計(jì)的方式，能夠很大程度上便于崗位人員的操作使用。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本軟件在Visual Studio 2015下使用C#語(yǔ)言開發(fā)，SQLite作為數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)最終部署位置及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)要拓?fù)鋱D如圖 4所示。

系統(tǒng)界面中間區(qū)域主要負(fù)責(zé)顯示分發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送接收情況及告警信息顯示，崗位人員可根據(jù)表頭信息對(duì)任意類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)排序顯示，極大提高了軟件使用的靈活性;針對(duì)不同的報(bào)警情況，系統(tǒng)還可根據(jù)異常等級(jí)的不同，使用不同顏色進(jìn)行區(qū)分顯示，并及時(shí)發(fā)出聲音告警，以提高軟件的實(shí)時(shí)性。

系統(tǒng)界面右側(cè)區(qū)域主要為輔助顯示區(qū)域，通過(guò)曲線圖，崗位人員可及時(shí)了解到一段時(shí)間內(nèi)的各方向數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)延變化情況，以便進(jìn)一步掌握網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)趨勢(shì);通過(guò)捕獲T0數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可得知任務(wù)發(fā)射的具體時(shí)間，并顯示相關(guān)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)控事件，崗位人員還可以使用計(jì)時(shí)功能，準(zhǔn)確記錄鏈路溝通時(shí)長(zhǎng)。

界面頂部區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)功能設(shè)置區(qū)，崗位人員可設(shè)定相關(guān)參數(shù)，并以Excel形式一鍵導(dǎo)出本次任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了對(duì)IP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)采用SharpPcap框架作為數(shù)據(jù)包捕獲接口，能夠?qū)P網(wǎng)中的各類數(shù)據(jù)包進(jìn)行實(shí)時(shí)抓取并及時(shí)解析，通過(guò)良好的界面設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確、高效地為崗位人員提供被監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的各類數(shù)據(jù)流狀態(tài)，并對(duì)異常信息做出及時(shí)告警，為IP網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最初設(shè)計(jì)目的，具有較高的推廣使用價(jià)值。

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