基于Linux的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)研究

趙文濤

摘要：本文介紹了Linux流量控制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)流量加以控制，以期改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Linux;網(wǎng)絡(luò)流量;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP393.06 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0017-01

0 引言

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增多，直接影響了對網(wǎng)速質(zhì)量要求較高的部分應(yīng)用，導(dǎo)致發(fā)生延遲、丟包等問題，本文提出的網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際用戶使用需求，分配給用戶不同的寬帶流量，實(shí)現(xiàn)資源合理調(diào)度。在已有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過Linux系統(tǒng)的應(yīng)用，具有成本低廉、安裝便捷等諸多優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用寬帶的合理分配，具有一定的實(shí)用價值。

1 Linux流量控制技術(shù)

Linux操作系統(tǒng)具有穩(wěn)定、成本低等優(yōu)勢，廣泛運(yùn)用于VPN、NAT、防火墻等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中。Linux操作系統(tǒng)誕生于1991年，至今已發(fā)展為諸多版本，主要依賴于Internet網(wǎng)絡(luò)、POSIX標(biāo)準(zhǔn)、GNU計(jì)劃、MINIX操作系統(tǒng)以及UNIX操作系統(tǒng)五個方面，可實(shí)現(xiàn)用戶之間的互不干擾，多線程獨(dú)立運(yùn)行，同時Linux還是嵌入型操作系統(tǒng)，可完全支持Intel64位芯片架構(gòu)[1]。

Linux流量控制是指改變網(wǎng)絡(luò)流量傳入或外發(fā)方向的一種方式，本文研究的是改變外發(fā)方向的流量控制。Linux流量控制框架主要包括過濾器、類別與排隊(duì)規(guī)則三個元素，其中，過濾器根據(jù)TCP/IP端口號、IP地址等參數(shù)，將外發(fā)數(shù)據(jù)包發(fā)送到排列規(guī)則中，類別用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包，根據(jù)過濾器將網(wǎng)絡(luò)流量分為不同的類別，并予以差異優(yōu)先級處理，排隊(duì)規(guī)則定義于net/sched文件中。一個簡單的排隊(duì)規(guī)則僅包括單一隊(duì)列，包括全體數(shù)據(jù)包，并依次排序，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照順序進(jìn)行發(fā)送。對于復(fù)雜的排列規(guī)則而言，可通過過濾器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包類別區(qū)分，通過優(yōu)先級差異進(jìn)行排列[2]。

排隊(duì)規(guī)則主要為分類的排隊(duì)規(guī)則與無類的排隊(duì)規(guī)則，其中，無類排隊(duì)規(guī)則包括SFQ（隨機(jī)公平隊(duì)列）、TBF（令牌桶過濾器）、FIFO（先進(jìn)先出）等，分類排隊(duì)規(guī)則包括HTB（分層令牌桶）、CBQ（基于類的隊(duì)列）等。在網(wǎng)絡(luò)中均有一個“根排隊(duì)規(guī)則”，在Linux系統(tǒng)中默認(rèn)pfifo_fast排隊(duì)規(guī)則，表示為1：0，主號碼是1，次號碼是0，類與父類主號碼一致，且必須位移，次號碼在分類和排隊(duì)規(guī)則中也應(yīng)保持一致。

Linux流量控制技術(shù)原理是通過過濾器為數(shù)據(jù)包分配一個類，過濾器有內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控制內(nèi)部原則，隨后通過32位句柄引用。該句柄和類ID有些相同，但是并未分為主次號。在過濾器內(nèi)部也存在內(nèi)部ID，以get（）函數(shù)獲得。

2 基于Linux的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的告訴發(fā)展，為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)流量逐漸呈井噴式劇增，目前，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)已滲透到日常生活的各個領(lǐng)域，為人們提供豐富、及時的信息和服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展初期，主要以FTP、E-mail和Telnet等業(yè)務(wù)為主，具有發(fā)展滯后的劣勢，但是Web業(yè)務(wù)的誕生，促使網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)迎來了全新的發(fā)展曙光，大量的新生網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)（如流媒體、P2P下載等）應(yīng)用而生，其中包含的部分非關(guān)鍵業(yè)務(wù)，如P2P業(yè)務(wù)，將大量占用網(wǎng)絡(luò)寬帶，對同組用戶的電子郵件、網(wǎng)頁瀏覽等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的流量傳輸造成嚴(yán)重限制。傳統(tǒng)端口協(xié)議識別已無法滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量控制需求，P2P軟件逐漸發(fā)展為動態(tài)端口。本文基于Linux系統(tǒng)，通過iptable、L7-filter等工具將數(shù)據(jù)包予以分類識別，再通過流量控制器TC對數(shù)據(jù)包予以流量控制，設(shè)計(jì)一款簡單、高效的網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要適用于中小企業(yè)單位，服務(wù)器僅需可以支持Linux操作系統(tǒng)即可，安裝尤為方便。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括流量控制與協(xié)議識別兩個模塊，其中，協(xié)議識別主要采用L7_filter與iptable的應(yīng)用層協(xié)議，通過iptable識別數(shù)據(jù)包，并標(biāo)記分類，最后通過HTB隊(duì)列規(guī)定流量的優(yōu)先級與寬帶分配，實(shí)現(xiàn)對流量的控制，確保網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量控制模塊主要針對不同的用戶組與應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行寬帶管理，其中，不同的用戶組寬帶管理是限制部分用戶的寬帶，避免網(wǎng)絡(luò)堵塞，并設(shè)定用戶借用寬帶優(yōu)先權(quán)與最大可用寬帶，防止子網(wǎng)絡(luò)的資源浪費(fèi)，保證高優(yōu)先權(quán)用戶的寬帶。不同的應(yīng)用協(xié)議寬帶管理可結(jié)合業(yè)務(wù)關(guān)鍵性設(shè)置優(yōu)先級，對P2P等非關(guān)鍵業(yè)務(wù)流量予以控制，保證關(guān)鍵額業(yè)務(wù)的寬帶[3]。

2.3 流量識別模塊

通過L7-filter對Linux數(shù)據(jù)包予以應(yīng)用層協(xié)議檢測，并通過iptables標(biāo)記分類，根據(jù)重要性分為六類，具體分類如：（1）DNS、Telnet、SSH等低延遲數(shù)據(jù)，該類具有最高優(yōu)先權(quán)，可通過最低延遲要求獲取空閑寬帶。（2）HTTP協(xié)議數(shù)據(jù)包，滿足用戶網(wǎng)頁瀏覽需求。（3）POP3、SMTP郵件協(xié)議，滿足用戶郵件需求。（4）FTP協(xié)議，滿足用戶文件傳輸需求。（5）P2P協(xié)議，滿足下載需求。（6）其他。

2.4 流量控制模塊設(shè)計(jì)

結(jié)合用戶需求，可將不同的用戶分為A、B、C三組，并賦予參與，保證寬帶有限借用權(quán)prio、最大寬帶值ceil以及最小寬帶值rate，具體設(shè)計(jì)方案如：（1）A組級別最高，優(yōu)先權(quán)最高，分配寬帶最多;（2）B組級別中等，優(yōu)先權(quán)中等，分配寬帶中等;（3）C組級別最低，優(yōu)先權(quán)最低，分配寬帶最少。

假設(shè)上傳總寬帶為1000kbit/s，那么A、B、C三組HTB隊(duì)列參數(shù)如表1所示：

2.5 系統(tǒng)平臺搭建

（1）硬件平臺。本系統(tǒng)服務(wù)器采用DELL的PC機(jī)，硬件配置如：處理器：四核E5405*2;硬盤：127GB*4;內(nèi)存：DDR DRAM16GB;網(wǎng)絡(luò)：自適應(yīng)網(wǎng)卡*4。（2）軟件平臺。軟件平臺采用Linux操作系統(tǒng)（內(nèi)核版本2.6.25），使用L7-filter擴(kuò)展布丁、iptables、Netfilter防火墻，用戶界面為PHP，軟件版本如：Linux：2.6.25;Iptables：1.4.7;L7-filter：2.17。

3 結(jié)語

綜上所述，基于Linux的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)，可對網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的流量進(jìn)行有效控制與管理，限制部分用戶的寬帶，確保最高優(yōu)先權(quán)用戶寬帶的服務(wù)質(zhì)量，，通過設(shè)定最大借用寬帶與優(yōu)先權(quán)，避免子網(wǎng)絡(luò)寬帶的浪費(fèi)情況發(fā)生，為高優(yōu)先權(quán)用戶爭取更多剩余寬帶。可對網(wǎng)絡(luò)中不同應(yīng)用協(xié)議的流量進(jìn)行有效控制與管理，對其分配不同的網(wǎng)絡(luò)借用等級、最大和最小可借用寬帶，對非關(guān)鍵業(yè)務(wù)流量進(jìn)行抑制，提高關(guān)鍵業(yè)務(wù)流量的服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張五生，鄭靈翔.基于Linux的流量控制系統(tǒng)研究[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，49（1）：38-42.

[2] 駱華杰，陳洋，鄭仕龍.基于Linux的流量控制研究及應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2018（7）：18-19.

[3]饒國勇，張玉輝.Linux下流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（10）：3210-3212.

Research on Computer Network Flow Control System Based on Linux

ZHAO Wen-tao

（Guangxi Technological College of Machinery and Electricity，Nanning Guangxi? 530000）

Abstract：This paper introduces Linux traffic control technology， and on this basis， designs a computer network traffic control system to control network traffic， in order to improve the quality of network service.

Key words：Linux; network traffic; system design