UNIX: разработка сетевых приложений

Организовать само по себе перехватывание пакетов из канального уровня не очень сложно, однако преимущество BPF заключается в возможности их фильтрации. Каждое приложение, открывающее устройство BPF, может загрузить свой собственный фильтр, который затем BPF применяет к каждому пакету. В то время как некоторые фильтры достаточно просты (например, при использовании фильтра udp or tcp принимаются только пакеты UDP и TCP), другие фильтры позволяют исследовать значения определенных полей в заголовках пакетов. Например, фильтр

tcp and port 80 and tcp[13:l] & 0x7 != 0

использовался в главе 14 [128] для отбора сегментов TCP, направлявшихся к порту 80 или от него и содержащих флаги SYN, FIN или RST. Выражение tcp [13:1] соответствует однобайтовому значению, начинающемуся с 13-го байта от начала заголовка TCP.

В BPF реализован основанный на регистрах механизм фильтрации, который применяет специфические для приложений фильтры к каждому полученному пакету. Хотя можно написать свою программу фильтрации на машинном языке псевдопроцессора (он описан в руководстве по использованию BPF), проще всего будет компилировать строки ASCII (такие, как только что показанная строка, начинающаяся с tcp) в машинный язык с помощью функции pcap_compile, о которой мы рассказываем в разделе 29.7.

В технологии BPF применяются три метода, позволяющие уменьшить накладные расходы на ее использование.

1. Фильтрация BPF происходит внутри ядра, за счет чего минимизируется количество данных, которые нужно копировать из ядра в приложение. Копирование из пространства ядра в пользовательское пространство является довольно дорогостоящим. Если бы приходилось копировать каждый пакет, у BPF могли бы возникнуть проблемы при попытке взаимодействия с быстрыми каналами.

2. BPF передает приложению только часть каждого пакета. Здесь речь идет о длине захвата (capture length). Большинству приложений требуется только заголовок пакета, а не содержащиеся в нем данные. Это также уменьшает количество данных, которые BPF должен скопировать в приложение. В программе tcpdump, например, по умолчанию это значение равно 68 байт, и этого достаточно для размещения 14-байтового заголовка Ethernet, 20-байтового заголовка IP, 20-байтового заголовка TCP и 14 байт данных. Но для вывода дополнительной информации по другим протоколам (например, DNS или NFS) требуется, чтобы пользователь увеличил это значение при запуске программы tcpdump.

3. BPF буферизует данные, предназначенные для приложения, и этот буфер передается приложению только когда он заполнен или когда истекает заданное время ожидания для считывания (read timeout). Это время может быть задано приложением. Программа tcpdump, например, устанавливает время ожидания 1000 мс, а демон RARP задает нулевое время ожидания (поскольку пакетов RARP немного, а сервер RARP должен послать ответ сразу, как только он получает запрос). Назначением буферизации является уменьшение количества системных вызовов. При этом между BPF и приложением происходит обмен тем же количеством пакетов, но за счет того, что уменьшается количество системных вызовов, каждый из которых связан с дополнительными накладными расходами, уменьшается и общий объем этих расходов. Например, на рис. 3.1 [110] сравниваются накладные расходы, возникающие при системном вызове read, когда файл считывается в несколько приемов, причем размер фрагментов варьируется от 1 до 131 072 байт.

Хотя на рис. 29.1 мы показываем только один буфер, BPF поддерживает по два внутренних буфера для каждого приложения и заполняет один, пока другой копируется в приложение. Эта стандартная технология носит название двойной буферизации (double buffering).

На рис. 29.1 мы показываем только получение пакетов фильтром BPF: пакеты, приходящие на канальный уровень снизу (из сети) и сверху (IP). Приложение также может записывать в BPF, в результате чего пакеты будут отсылаться по канальному уровню, но большая часть приложений только считывает пакеты из BPF. У нас нет оснований использовать BPF для отправки дейтаграмм IP, поскольку параметр сокета IP_HDRINCL позволяет нам записывать дейтаграммы IP любого типа, включая заголовок IP. (Подобный пример мы показываем в разделе 29.7.) Записывать в BPF можно только с одной целью — чтобы отослать наши собственные сетевые пакеты, не являющиеся дейтаграммами IP. Например, демон RARP делает это для отправки ответов RARP, которые не являются дейтаграммами IP.