基于分層令牌桶的通訊流量控制模型的設(shè)計(jì)

許冰暉

[摘要]當(dāng)前，大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已越來越成為主流，而這些應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用也越來越大，如何對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的通訊流量控制，已經(jīng)成為一個(gè)急需解決的難題。提出一種基于分層令牌桶的通訊流量控制模型，利用分層令牌桶排隊(duì)策略較好地實(shí)現(xiàn)對通訊流量的監(jiān)控與限制，在很大程度上減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

[關(guān)鍵詞]分層令牌桶通訊流量控制過濾器

中圖分類號：TN91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671-7597(2009)0610016-01

一、引言

在Internet飛速發(fā)展的今天，P2P等大流量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已經(jīng)成為上網(wǎng)的主要應(yīng)用之一。一般人除了收發(fā)郵件、瀏覽網(wǎng)頁外，越來越多人使用BitTorrent、eMule、電驢、迅雷等p2p工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的下載與上傳。可是這些應(yīng)用也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是耗損的網(wǎng)絡(luò)帶寬非常巨大，往往是有多少帶寬就用多少帶寬，從而造成內(nèi)網(wǎng)帶寬、外網(wǎng)鏈路都被這些應(yīng)用所占用，導(dǎo)致內(nèi)網(wǎng)用戶之間帶寬分配不公平。如何對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的通訊流量控制，從而地解決內(nèi)外網(wǎng)的帶寬問題，是現(xiàn)在面臨的一個(gè)急需解決的難題。

二、當(dāng)前通訊流量控制技術(shù)的局限性

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如交換機(jī)、路由器通常也提供了一定的通訊流量控制功能，但它們提供的流量控制功能一般都是一些附件功能模塊，由于受限于硬件和軟件算法，通常只能做到上下行限制，而無法應(yīng)對大流量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

防火墻主要是通過IP地址、TCP／UDP端口實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通訊流量的控制，而路由器和交換機(jī)是通過IP包頭、TCP包頭等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對通訊流量的控制，而當(dāng)前很多應(yīng)用軟件都是通過跳躍端口或隨機(jī)端口甚至是80端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模@樣一來，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對此就顯得無能為力了。

而當(dāng)前的專業(yè)流量管理設(shè)備主要基于第七層應(yīng)用進(jìn)行流量管理，雖然從一定程度上緩解了上述的這些問題，但是同時(shí)也帶來了新的問題。互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用及傳輸協(xié)議成千上萬，不可能保證所有的應(yīng)用都能正確識別，由于應(yīng)用的不斷增加不斷變化，流量管理設(shè)備本身也需要不斷更新識別庫，且識別庫的更新也很難保證快速及時(shí)從而跟上應(yīng)用軟件的不斷更新。

目前各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸方式日益復(fù)雜，通過協(xié)議加密等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，對于這些流量控制設(shè)備而言，控制難度也在日益加大。當(dāng)應(yīng)用是通過加密或壓縮的方式進(jìn)行流量傳播時(shí)，設(shè)備很難再進(jìn)行應(yīng)用的識別。如此一來，之前所有制定的流量管理策略都失效了。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是在時(shí)刻變化的，網(wǎng)絡(luò)本身也是時(shí)刻變化的，這使得網(wǎng)絡(luò)管理員要不斷的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各種應(yīng)用的流量，不斷的升級各種新的應(yīng)用的協(xié)議特征碼。今天制定的流量管理策略有效，當(dāng)明天出現(xiàn)新的應(yīng)用時(shí)，又需要重新制定流量管理策略。這些硬傷都決定了這些設(shè)備無法大規(guī)模地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

三、通訊流量控制系統(tǒng)的功能需求

通過上述分析和對網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的研究，我們可以確定一個(gè)較完善的通訊流量控制系統(tǒng)至少應(yīng)該具備如下幾下功能：

1、系統(tǒng)需能夠針對每用戶／IP定義流量使用份額；

2、系統(tǒng)需能夠通過調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)來減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)；

3、系統(tǒng)需能夠提供“動(dòng)態(tài)流量管理”來保證帶寬的最大使用率。

四、分層令牌桶排隊(duì)策略

分層令牌桶排隊(duì)策略是由Martin Devera編寫的一個(gè)等級化、基于類的連接共享的排隊(duì)策略，目的是替代基于類的排隊(duì)策略Qdisc(CBQ)。分層令牌桶排隊(duì)策略比CBQ更快速。從2.4.20版本開始，標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核開始提供這種新策略。

五、基于分層令牌桶的通訊流量控制模型的設(shè)計(jì)

基于分層令牌桶的通訊流量控制模型以透明橋接的方式連接在外線和三層交換機(jī)之間，用來改變或優(yōu)化內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)流，這種數(shù)據(jù)流是雙向的，即從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)流向互聯(lián)網(wǎng)，以及從互聯(lián)網(wǎng)流向內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

我們將所有數(shù)據(jù)流都放置在隊(duì)列中，因?yàn)閿?shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度不相同，總是有快有慢，如果沒有隊(duì)列將出現(xiàn)丟包的問題，這也是隊(duì)列最主要的作用。而隊(duì)列對數(shù)據(jù)流的處理是基于FIFO(先進(jìn)先出)的策略。我們在隊(duì)列中建立數(shù)據(jù)類別，如FTP、HTTP等，隊(duì)列中的數(shù)據(jù)根據(jù)這些類別進(jìn)行自動(dòng)分類，然后設(shè)定不同數(shù)據(jù)類別的優(yōu)先級別或時(shí)間順序，從而控制隊(duì)列中的數(shù)據(jù)流，確保高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流總是比低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流先進(jìn)行處理。基于分層令牌桶的通訊流量控制方式的好處是在于可以根據(jù)應(yīng)用來控制數(shù)據(jù)流，比如重要的應(yīng)用如Citrix、VPN等可以優(yōu)先進(jìn)行處理，而P2P等可以滯后處理，從而達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量的目的。

圖1顯示了基于分層令牌桶的通訊流量控制模型是如何起到控制網(wǎng)絡(luò)通訊流量的作用的。

以下是其中一些重要定義：

ODisc－即排隊(duì)策略，是一個(gè)安排網(wǎng)絡(luò)包如何通過的調(diào)度者。FIFO是一種典型的簡單調(diào)度模型。

Class－一個(gè)類僅可以在一個(gè)Classful QDisc的內(nèi)部存在，并包含一系列的子類或一個(gè)單一的QDisc。

過濾器過濾器包含了分類器，其作用是基于特定的性質(zhì)對包進(jìn)行選擇和分類，并引導(dǎo)選擇的包到一個(gè)子類進(jìn)行進(jìn)一步的處理。過濾器可以被依附在一個(gè)Classful QDise或一個(gè)類上。

Classful QDisc一分類QDisc，一個(gè)基于類的QDisc能夠包含許多類，而過濾器可以附屬于這些類。

令牌桶過濾器是一個(gè)排隊(duì)策略，它采用了令牌和桶的概念來控制某層的流量。每個(gè)桶可以含有特定數(shù)量的令牌，而桶也以一個(gè)給定的速率灌滿。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包存在且僅存在一個(gè)空閑的令牌時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)包將會被傳輸。

基于分層令牌桶的流量控制模型包含了一個(gè)桶的層次結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)使用令牌和借予模型(Borrowing Mode)來控制某層的流量。流量在子類和等級中的內(nèi)部類中得到控制，并指定借予模型。各個(gè)類根據(jù)以下各種不同的參數(shù)來對流量進(jìn)行控制。

Rate-最小速率，類似于提交信息速率或被保證的帶寬；

Ceil-所允許的最大速率：

Burst-溢出，在獲得更多的令牌前，系統(tǒng)可以解除隊(duì)列中的溢出字節(jié)；

Quanrum-量，被用于控制借予的參數(shù)：

Prio-優(yōu)先級，數(shù)值介于0—7之間，從屬于某個(gè)子類。

六、結(jié)束語

本文對分層令牌桶排隊(duì)策略在通訊流量控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了一種基于分層令牌桶的通訊流量控制模型，較好地解決了原有基于應(yīng)用的通訊流量控制系統(tǒng)存在的缺陷，具有較強(qiáng)的靈活性。