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ubuntu原始套接字多线程负载均衡

article 2024/11/17 5:58:27

原始套接字多线程负载均衡是一种在网络编程中常见的技术，特别是在高性能网络应用或网络安全工具中。这种技术允许应用程序在多个线程之间有效地分配和处理网络流量，提高系统的并发性能。以下是关于原始套接字多线程负载均衡技术的一些介绍：

1. 原始套接字（Raw Sockets）：

原始套接字允许应用程序直接访问网络层数据包，绕过操作系统的传输层和应用层处理。这使得应用程序可以更灵活地处理网络数据，包括构造和解析自定义的网络协议头。

2. 多线程处理：

在网络编程中，多线程用于处理来自网络的并发连接或数据包。每个线程可以独立地处理一部分流量，提高系统的并发处理能力。多线程负载均衡的目标是将网络流量有效地分发到不同的线程中，以充分利用系统资源。

3. 负载均衡算法：

在原始套接字多线程负载均衡中，需要选择适当的负载均衡算法，确保不同线程间的数据包分发均匀。常见的负载均衡算法包括哈希算法、轮询（Round Robin）和最少连接数（Least Connections）等。

4. 哈希算法：

通过使用源 IP、目标 IP、源端口、目标端口等数据包头部信息进行哈希运算，将相同会话的数据包映射到相同的线程。这样可以确保相同连接的数据包被分发到同一个线程，避免了连接状态的维护问题。

5. 轮询算法：

按照轮询的顺序将数据包分发到不同的线程，确保每个线程都有机会处理数据包。这种算法简单，适用于流量相对均匀的情况。

6. 最少连接数算法：

将数据包分发到当前连接数最少的线程，确保负载相对均衡。这种算法适用于处理连接数不均匀的情况。

7. 性能优化：

为了最大程度地提高性能，需要考虑线程间的通信开销、锁的使用、以及可能的瓶颈。使用无锁数据结构、减少线程间同步操作等方式可以提高负载均衡系统的效率。

8. 网络安全工具应用：

原始套接字多线程负载均衡技术在网络安全工具中得到广泛应用，如入侵检测系统（IDS）、入侵预防系统（IPS）等。这些工具通常需要高性能的数据包处理能力，因此负载均衡技术对其性能至关重要。

9、示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <net/ethernet.h>
#include <net/if.h>
#include <linux/if_packet.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>

#define NUM_THREADS 3  // 设置线程数量

void *threadFunction(void *arg) {
    int threadId = *((int *)arg);

    // 创建 AF_PACKET 套接字
    int sock = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
    if (sock == -1) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置风扇组
    uint16_t mode = PACKET_FANOUT_HASH;
    uint16_t id = 99;  // 每个线程使用相同的id，作为同一风扇组
    uint32_t option = (mode << 16) | (id & 0xffff);
    if (setsockopt(sock, SOL_PACKET, PACKET_FANOUT, &option, sizeof(option)) == -1) {
        perror("setsockopt");
        close(sock);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    int actualBufferSize;
    socklen_t len = sizeof(actualBufferSize);
    getsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &actualBufferSize, &len);
    printf("Actual Receive Buffer Size: %d\n", actualBufferSize);

    // 接收数据包并打印线程编号
    while (1) {
        struct sockaddr_ll srcAddr;
        socklen_t srcAddrLen = sizeof(srcAddr);
        char buffer[2048];
        ssize_t bytesRead = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&srcAddr, &srcAddrLen);

        if (bytesRead == -1) {
            perror("recvfrom");
            break;
        }

        printf("Thread %d received a packet from source thread %u\n", threadId, srcAddr.sll_pkttype);
    }

    close(sock);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[NUM_THREADS];
    int threadIds[NUM_THREADS];

    // 创建多个线程
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i) {
        threadIds[i] = i;
        if (pthread_create(&threads[i], NULL, threadFunction, (void *)&threadIds[i]) != 0) {
            perror("pthread_create");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    // 等待线程结束
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; ++i) {
        if (pthread_join(threads[i], NULL) != 0) {
            perror("pthread_join");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    return 0;
}

10、测试

运行后向对应网口发送数据包，会打印接收结果。我存在三个不同五元组的9个数据包pcap文件