tcpreplay 缓存算法研究
一. 缓存算法
1.1 算法目的
流量拆分算法的运算会明显影响包的发送速率，为了提高发送速率， tcpreplay 使用了缓存机制，该部分代码也封装在tcpprep工具里，运行 tcpprep (tcp-preparation)工具，结果是一个针对性的缓存文件，该文件存放流量拆分算法的运算结果。同时，cache.c 存放了部分读取cachefile的函数。
1.2 算法思想
如何设计符合目的的缓存？达到即高效又节省？
最简单就是使用bool[SIZE] ，存放 0和1，这样的数据结构使用1个字节存放标识，可以表示2个方向的流量。但是用1个字节表示一个packet完全没必要，可以用1个bit表示一个packet。用如下方法可以做到：
使用一个比特位表示一个packet 的方法
包的id: packetid
Index = packetid/8
Bit = packetid%8
Byte = &Cache[Index]
写缓存： *Byte = *Byte + (1<<Bit)
读缓存： result = Cache[Index] & (char)(1 << Bit)
上述方法依然不完善，第一，pcap 包包含的 packets 的数量是未知的，用固定的 char 数组存放不够灵活。其二，如果缓存结果需要扩展，比如在‘客户端->服务端’‘服务端->客户端’两种packets状态之外，还有‘发送’‘不发送’（表示该packet发送与否），‘正确’‘错误’（表示该packet是否异常）等状态运算结果，上述算法无法扩展。
解决第一个问题，是使用数组链表的方式取代单一数组的方式。每个链表节点存放一个可配的小数组，当当前节点数组空间不够的时候，再生成一个小数组，连在链表后面。这样的缓存，可以根据具体的packets 数灵活得分配空间。
解决第二个问题，是设定一个参数 packets_per_byte ，表示一个字节可以容纳多少packets缓存信息,只有2种状态时该参数值为 8 ，表示4种状态时该参数值为 4。6 种状态值是2，以此类推。packets_per_byte = 1 时，1 个字节可以最多表示 16 种缓存状态。
Tcpprep3.4.4使用2个bit表示一个packet,下面是这种情况下算法思想的图形表示：
1.1 算法流程
使用缓存以及不使用缓存两种情况下的发包流程。
1.1 算法实现
1.1.1 数据结构
struct tcpr_cache_s { /*一个缓存节点的数据结构*/
char data[CACHEDATASIZE]; /*该节点的小数组*/
unsigned int packets; /*该节点已经存放缓存结果的packet的数目*/
struct tcpr_cache_s *next; /*链表指针*/
};
typedef struct tcpr_cache_s tcpr_cache_t;
struct tcpr_cache_file_hdr_s {/*缓存文件头数据结构*/
char magic[8]; /*文件标识*/
char version[4]; /*缓存版本*/
u_int64_t num_packets; /* total # of packets in file */
u_int16_t packets_per_byte; /*每个字节存放多少个packet的缓存数据*/
u_int16_t comment_len; /* how long is the user comment? */
} __attribute__((__packed__));
enum tcpr_dir_e { /*缓存运算结果种类*/
TCPR_DIR_ERROR = -1,/*异常packet，该状态没有加入缓存，而是作为返回值*/
TCPR_DIR_NOSEND = 0, /*是否发送*/
TCPR_DIR_C2S = 1, /* 客户端->服务器，从 PRIMARY 接口回放*/
TCPR_DIR_S2C = 2 /* 服务器->客户端，从SECONDARY接口回放 */
};
typedef enum tcpr_dir_e tcpr_dir_t;
1.1.2 主要函数实现
/**
*生成1个packet的缓存数据
*/
tcpr_dir_t
add_cache(tcpr_cache_t ** cachedata, const int send, const tcpr_dir_t interface)
{
static tcpr_cache_t *lastcache = NULL;
u_char *byte = NULL;
u_int32_t bit;
tcpr_dir_t result = TCPR_DIR_ERROR;
COUNTER index;
if (*cachedata == NULL) { /* 第一次运行，生成第一个节点 */
*cachedata = new_cache();
lastcache = *cachedata;
}
else {
if ((lastcache->packets + 1) > (CACHEDATASIZE *CACHE_PACKETS_PER_BYTE)) { /* 当前节点如果满了，生成一个新节点*/
lastcache->next = new_cache();
lastcache = lastcache->next;
}
}
lastcache->packets++;
if (send == SEND) { /* 是否发送的标志位赋值*/
index = (lastcache->packets - 1) / (COUNTER)CACHE_PACKETS_PER_BYTE;
bit = (((lastcache->packets - 1) % (COUNTER)CACHE_PACKETS_PER_BYTE) *
(COUNTER)CACHE_BITS_PER_PACKET) + 1;
byte = (u_char *) & lastcache->data[index];
*byte += (u_char) (1 << bit);
/* if true, set low order bit. else, do squat */
if (interface == TCPR_DIR_C2S) {/*流量方向的标志位赋值*/
*byte += (u_char)(1 << (bit - 1));
result = TCPR_DIR_C2S;
}
else { result = TCPR_DIR_S2C; }
}
else { result = TCPR_DIR_NOSEND; /*异常情况，结果返回异常*/ }
return result;
}
/**
* 下面函数显示如何根据packet id 读取缓存结果
*/
tcpr_dir_t
check_cache(char *cachedata, COUNTER packetid)
{
COUNTER index = 0;
u_int32_t bit;
if (packetid == 0) err(-1, "packetid must be > 0");
/* 定位到缓存数组的具体位 */
index = (packetid - 1) / (COUNTER)CACHE_PACKETS_PER_BYTE;
bit = (u_int32_t)(((packetid - 1) % (COUNTER)CACHE_PACKETS_PER_BYTE) *(COUNTER)CACHE_BITS_PER_PACKET) + 1;
if (!(cachedata[index] & (char)(1 << bit))) {
return TCPR_DIR_NOSEND; /*返回是否发送的标志位结果*/
}
/* go back a bit to get the interface */
bit--;
if (cachedata[index] & (char)(1 << bit)) { return TCPR_DIR_C2S; }
else { return TCPR_DIR_S2C; } /*返回流量方向结果*/
return TCPR_DIR_ERROR; /*如果上述情况都没发送，返回异常*/
}
1.2 实验结果
1.2.1 实验1
拥有14个packet的pcap生成的缓存文件
