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摘 要：随着雷达规模的发展与完善，越来越多的网络数据需要监视与管理。提出一種基于WinPcap的雷达通信监视与管理系统，首先利用WinPcap实现网络数据包的捕获与协议分析，接着利用数据库实现海量网络数据的存储与查询优化，最终在某大型雷达工程项目中应用取得稳定高效的结果。
关键词：WinPcap；数据包；数据库；网络监视
中图分类号：TP311
随着雷达规模的发展和壮大，其系统结构越来越复杂，各个分系统之间的数据交互越来越多。如何有效地监视雷达各个分系统的当前状态及网络流量有着极其重要的意义。
雷达多个分系统的网络数据量较大（如点迹数据、航迹数据、BIT数据），网络数据包容易丢失，数据包捕获的复杂程度增加。目前，网络监听方法可以采用原始套接字技术[1]、NIDS技术[2]和WinPcap技术[3]。WinPcap是一个开源应用与Win32平台下的网络监听开发包，其特点是系统性能稳定且高效，也是目前应用最广泛的网络抓包工具。WinPcap由内核级的网络数据包过滤器、低级动态及链接库和高级系统无关库三个模块组成。基于WinPcap的网络监控系统应用已经较多，如张龑[4]等针对网络大量的垃圾邮件，提出基于WinPcap的多邮件并行还原技术。阮清强[5]将WinPcap应用于ARP的检测与定位，具有一定的实用价值。基于WinPcap技术的应用工作较多，但是对雷达系统监视的工作还较少。
综合WinPcap技术和雷达海量数据的特点，论文提出一种基于WinPcap的雷达通信监视系统设计方法，包括基于WinPcap的实时数据包捕获优化设计和离线的数据库查询优化设计，最终在雷达工程项目中应用并取得稳定高效的结果。
1 系统设计
雷达通信监视系统包括实时捕获和离线分析两个模块。实时捕获采用WinPcap技术实现数据包捕获和协议分析，并完成数据库入库操作。离线分析可以查询雷达各个分系统的固定时间段内的状态信息并统计分析，包括网络流量、系统延迟、丢包率、误码等。
1.1 WinPcap实现及优化。数据的捕获能力决定应用程序性能的高低，基于WinPcap技术的数据包捕获容易出错导致数据丢包，如用10Mbps的网卡无法捕获100Mbps速度下的所有数据包，因此基于WinPcap的数据包捕获模块需要考虑选择合适的软硬件设施，具体流程如图1所示。
图1 实时捕获模块
基于WinPcap的实时数据包捕获的具体细节如下：（1）获取所有可用的网络适配器名称，打开某个适配器并设置为混杂模式；（2）设置内核缓冲区大小，编译过滤规则和设置过滤器；（3）捕获网络数据包到缓冲区，分析网络数据包，根据以太网首部和IPV4首部得到UDP数据包的首部信息；（4）根据步骤（3）得到的UDP数据包进行数据库入库，具体见1.2节。
另外，针对雷达系统的特点与问题，同时给出一些优化设计措施：（1）缓冲区。在WinPcap中加大内核缓冲区，可以缓解应用程序读取缓冲区中的数据和网络数据到来之间的速度差异；（2）过滤器。由于雷达各个分系统的数据包为UDP协议且端口固定，因此设置过滤器规则为UDP数据包和固定端口，这样可以减少过滤数据包的时间开销，从而增加可捕获的最大数据传输速度；（3）多线程。实时捕获模块充分考虑应用程序优化，采用多线程工作模式，其中数据包捕获和数据存储分别采用单线程进行处理。
1.2 数据库设计及优化。雷达通信监视系统需要监视的网络数据包包括点迹数据、航迹数据、BIT数据等。通常情况下，雷达每天的网络数据流量高于百万，一个月的流量则会达到千万量级，因此雷达系统的网络数据流量是海量的。雷达数据库的表设计包括时间、源IP、目的IP、误码情况等。雷达通信监视系统对捕获的网络数据包进行协议分析，得到UDP数据包并拆分得到对应到数据表的内容，并插入到数据库中。
针对海量数据查询的问题，论文采用高效合理的处理方法，分别采用索引技术和分区技术。索引技术一般建立在经常用于查询而经常增加、删除、修改操作的列上，论文对数据表的时间建立索引。另外，每个月建立一个分区表，这样可以改善查询性能且维护方便。具体设计如下：（1）建立网络数据包的月存储表，每个表的容量最多3000万行记录；（2）针对经常查询的字段（如时间、源地址、目的地址）建立索引，加速海量数据查询，具有较好的实用性。
为了进一步测试其有效性，表1给出查询某个时间段内的查询性能比较，数据表规模为2000万行记录。在两个相同的数据表上查询，一个建立时间和地址查询索引，另外一个没有建立索引。从表1可以看出，建立查询索引的查询性能较优，满足通信监视与管理系统的实时性要求。
表1 查询性能比较
查询表 执行策略 查询时间（单位s）
没有建立查询索引 全盘扫描 0.03
建立查询索引 索引扫描 1.05
2 系统实现
雷达通信监视与管理系统应用程序采用QT 4.8.1编程工具，WinPcap4.1.3开发包，Oracle数据库的版本为11g，可运行于windows和linux等操作系统。通信监视与管理系统包括分系统状态监视和系统实时状态监视。
2.1 系统实时状态监视。系统实时状态监视以表格动态显示当前捕获的网络数据包，数据解析显示包括以太网协议（mac地址和类型），IPV4协议（源地址、目的地址、协议类型，长度等），UDP协议（端口号、长度、校验和），最后以十六进制显示当前UDP数据包的内容。
2.2 分系统状态监视。分系统状态监视包括实时状态统计和离线状态分析，其中实时状态统计包括统计当前分系统的数据包流量、误码率、丢包数、占用带宽等，离线状态分析根据查询条件执行SQL并显示查询结果，主要用于统计指点时间内的分系统状态。
通过以上测试以及实现，本文提出的基于WinPcap的通信监视与管理系统可以有效地工作在大型雷达项目中，同时具有效率高、可移植性强的优点。
3 结束语
论文提出基于WinPcap的雷达通信监视与管理系统，包括基于WinPcap技术实现网络数据包捕获及分析和基于分布式数据库的存储及查询。另外，针对雷达系统工程的特点，系统设计过程中给出部分很多优化措施，包括捕获数据包的缓冲区设置、多线程模式、数据库查询的索引分区技术等。在某雷达项目中试验，该系统具有较强的稳定性、高效性和实用性，为我国雷达通信提供关键技术支撑。
参考文献：
[1]邱桔，陈若珊.一个基于原始套接字的Sniffer的设计与实现[J].计算机应用与软件，2009（04）：117-119.
[2]隋毅，杜跃进.NIDS的改进研究[J].计算机工程，2007（06）：1-2.
[3]The WinPcap Team. The WinPcap manual and tutorial for WinPcap 4.0[EB/OL].
[4]张龑，熊达鹏，李爱平.基于WinPcap 的多邮件并行还原技术设计与实现[J].信息网络安全，2012（08）：150-153.
[5]阮清强.ARP攻击检测与定位方法研究[J].信息网络安全，2010（04）：66-67.
作者简介：汪中（1984-），男，安徽人，工程师，博士，主要研究方向：网络通信、数据库、模式识别。
作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088
关键词：WinPcap；数据包；数据库；网络监视
中图分类号：TP311
随着雷达规模的发展和壮大，其系统结构越来越复杂，各个分系统之间的数据交互越来越多。如何有效地监视雷达各个分系统的当前状态及网络流量有着极其重要的意义。
雷达多个分系统的网络数据量较大（如点迹数据、航迹数据、BIT数据），网络数据包容易丢失，数据包捕获的复杂程度增加。目前，网络监听方法可以采用原始套接字技术[1]、NIDS技术[2]和WinPcap技术[3]。WinPcap是一个开源应用与Win32平台下的网络监听开发包，其特点是系统性能稳定且高效，也是目前应用最广泛的网络抓包工具。WinPcap由内核级的网络数据包过滤器、低级动态及链接库和高级系统无关库三个模块组成。基于WinPcap的网络监控系统应用已经较多，如张龑[4]等针对网络大量的垃圾邮件，提出基于WinPcap的多邮件并行还原技术。阮清强[5]将WinPcap应用于ARP的检测与定位，具有一定的实用价值。基于WinPcap技术的应用工作较多，但是对雷达系统监视的工作还较少。
综合WinPcap技术和雷达海量数据的特点，论文提出一种基于WinPcap的雷达通信监视系统设计方法，包括基于WinPcap的实时数据包捕获优化设计和离线的数据库查询优化设计，最终在雷达工程项目中应用并取得稳定高效的结果。
1 系统设计
雷达通信监视系统包括实时捕获和离线分析两个模块。实时捕获采用WinPcap技术实现数据包捕获和协议分析，并完成数据库入库操作。离线分析可以查询雷达各个分系统的固定时间段内的状态信息并统计分析，包括网络流量、系统延迟、丢包率、误码等。
1.1 WinPcap实现及优化。数据的捕获能力决定应用程序性能的高低，基于WinPcap技术的数据包捕获容易出错导致数据丢包，如用10Mbps的网卡无法捕获100Mbps速度下的所有数据包，因此基于WinPcap的数据包捕获模块需要考虑选择合适的软硬件设施，具体流程如图1所示。
图1 实时捕获模块
基于WinPcap的实时数据包捕获的具体细节如下：（1）获取所有可用的网络适配器名称，打开某个适配器并设置为混杂模式；（2）设置内核缓冲区大小，编译过滤规则和设置过滤器；（3）捕获网络数据包到缓冲区，分析网络数据包，根据以太网首部和IPV4首部得到UDP数据包的首部信息；（4）根据步骤（3）得到的UDP数据包进行数据库入库，具体见1.2节。
另外，针对雷达系统的特点与问题，同时给出一些优化设计措施：（1）缓冲区。在WinPcap中加大内核缓冲区，可以缓解应用程序读取缓冲区中的数据和网络数据到来之间的速度差异；（2）过滤器。由于雷达各个分系统的数据包为UDP协议且端口固定，因此设置过滤器规则为UDP数据包和固定端口，这样可以减少过滤数据包的时间开销，从而增加可捕获的最大数据传输速度；（3）多线程。实时捕获模块充分考虑应用程序优化，采用多线程工作模式，其中数据包捕获和数据存储分别采用单线程进行处理。
1.2 数据库设计及优化。雷达通信监视系统需要监视的网络数据包包括点迹数据、航迹数据、BIT数据等。通常情况下，雷达每天的网络数据流量高于百万，一个月的流量则会达到千万量级，因此雷达系统的网络数据流量是海量的。雷达数据库的表设计包括时间、源IP、目的IP、误码情况等。雷达通信监视系统对捕获的网络数据包进行协议分析，得到UDP数据包并拆分得到对应到数据表的内容，并插入到数据库中。
针对海量数据查询的问题，论文采用高效合理的处理方法，分别采用索引技术和分区技术。索引技术一般建立在经常用于查询而经常增加、删除、修改操作的列上，论文对数据表的时间建立索引。另外，每个月建立一个分区表，这样可以改善查询性能且维护方便。具体设计如下：（1）建立网络数据包的月存储表，每个表的容量最多3000万行记录；（2）针对经常查询的字段（如时间、源地址、目的地址）建立索引，加速海量数据查询，具有较好的实用性。
为了进一步测试其有效性，表1给出查询某个时间段内的查询性能比较，数据表规模为2000万行记录。在两个相同的数据表上查询，一个建立时间和地址查询索引，另外一个没有建立索引。从表1可以看出，建立查询索引的查询性能较优，满足通信监视与管理系统的实时性要求。
表1 查询性能比较
查询表 执行策略 查询时间（单位s）
没有建立查询索引 全盘扫描 0.03
建立查询索引 索引扫描 1.05
2 系统实现
雷达通信监视与管理系统应用程序采用QT 4.8.1编程工具，WinPcap4.1.3开发包，Oracle数据库的版本为11g，可运行于windows和linux等操作系统。通信监视与管理系统包括分系统状态监视和系统实时状态监视。
2.1 系统实时状态监视。系统实时状态监视以表格动态显示当前捕获的网络数据包，数据解析显示包括以太网协议（mac地址和类型），IPV4协议（源地址、目的地址、协议类型，长度等），UDP协议（端口号、长度、校验和），最后以十六进制显示当前UDP数据包的内容。
2.2 分系统状态监视。分系统状态监视包括实时状态统计和离线状态分析，其中实时状态统计包括统计当前分系统的数据包流量、误码率、丢包数、占用带宽等，离线状态分析根据查询条件执行SQL并显示查询结果，主要用于统计指点时间内的分系统状态。
通过以上测试以及实现，本文提出的基于WinPcap的通信监视与管理系统可以有效地工作在大型雷达项目中，同时具有效率高、可移植性强的优点。
3 结束语
论文提出基于WinPcap的雷达通信监视与管理系统，包括基于WinPcap技术实现网络数据包捕获及分析和基于分布式数据库的存储及查询。另外，针对雷达系统工程的特点，系统设计过程中给出部分很多优化措施，包括捕获数据包的缓冲区设置、多线程模式、数据库查询的索引分区技术等。在某雷达项目中试验，该系统具有较强的稳定性、高效性和实用性，为我国雷达通信提供关键技术支撑。
参考文献：
[1]邱桔，陈若珊.一个基于原始套接字的Sniffer的设计与实现[J].计算机应用与软件，2009（04）：117-119.
[2]隋毅，杜跃进.NIDS的改进研究[J].计算机工程，2007（06）：1-2.
[3]The WinPcap Team. The WinPcap manual and tutorial for WinPcap 4.0[EB/OL].
[4]张龑，熊达鹏，李爱平.基于WinPcap 的多邮件并行还原技术设计与实现[J].信息网络安全，2012（08）：150-153.
[5]阮清强.ARP攻击检测与定位方法研究[J].信息网络安全，2010（04）：66-67.
作者简介：汪中（1984-），男，安徽人，工程师，博士，主要研究方向：网络通信、数据库、模式识别。
作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088