IPv4/IPv6 雙棧+DHCP 環(huán)境下的用戶網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)

黃宏志，路懿，劉娜

（1.渤海大學(xué)信息化建設(shè)與管理中心，錦州121000；2.渤海大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，錦州121000）

0 引言

校園網(wǎng)進(jìn)行了升級(jí)改造，啟用了IPv6，IPv4 也由原來的靜態(tài)配置改成動(dòng)態(tài)獲取，同時(shí)，也改變了原來的實(shí)名認(rèn)證方式，由銳捷的SAM 認(rèn)證改變?yōu)殇J捷的SAM+認(rèn)證，去掉了認(rèn)證客戶端，變成WebPortal 認(rèn)證，只要終端上有瀏覽器就可以進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證，這樣，原來無法進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證的移動(dòng)終端也可以進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證了，極大地方便了用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)。同時(shí)，又帶來了一個(gè)新的問題，原來的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)只能獲取到IPv4 的流量信息，如何獲取實(shí)名用戶的IPv6 流量，如何把不固定的IP（IPv4+IPv6）的流量與某個(gè)實(shí)名用戶對(duì)應(yīng)。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系和技術(shù)條件下，已經(jīng)無法解決這個(gè)問題了。結(jié)合渤海大學(xué)校園網(wǎng)的管理，本文提出了一個(gè)全新的解決思路，把某個(gè)時(shí)段的流量信息與實(shí)名用戶對(duì)應(yīng)起來，很好地解決了實(shí)名用戶的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)問題。

關(guān)于IP 的網(wǎng)絡(luò)流量的采集，目前比較常用的方法有：NetFlow 技術(shù)[1-2]、sFlow 技術(shù)[3-4]、IPFIX 技術(shù)[5]、Net?Stream 技術(shù)[6]等，這些技術(shù)都是基于硬件實(shí)現(xiàn)的，需要特定的設(shè)備支持，有很大的局限性。還有一些研究機(jī)構(gòu)，研究出一些基于x86 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的軟件方式對(duì)流量進(jìn)行采集，例如DPDK[7]、nProbe[8]、PF-RING[9]等。另外，一些研究工作者也對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲及分析做過一些研究，例如王煜驄等人研究的NTCI-Flow 技術(shù)[10]、孟慶娟等人進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲及分析的研究[11]、趙寧等人基于DPDK 進(jìn)行的研究[12]、于躍等人進(jìn)行的嗅探技術(shù)的研究[13]等。而武昊等人則研究出了網(wǎng)絡(luò)流量測(cè)量的研究裝置[14]。朱俚治等人進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)流量檢測(cè)算法的研究[15]。網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)部署比較靈活，既可以在交換機(jī)上通過端口鏡像的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，又可以在路由器或者網(wǎng)關(guān)設(shè)備上通過端口鏡像或者使用分光設(shè)備來進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，本方案中的流量采集部分采用嗅探技術(shù)。

1 技術(shù)方案與討論

在現(xiàn)有設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，通過與核心交換機(jī)交互，獲取某個(gè)時(shí)段的IP（IPv4+IPv6）與MAC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后再查找銳捷SAM+的用戶上網(wǎng)記錄和在線記錄，獲取某個(gè)時(shí)段IPv4+MAC 與實(shí)名用戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后結(jié)合流量監(jiān)測(cè)設(shè)備，把某個(gè)時(shí)段的流量信息與實(shí)名用戶對(duì)應(yīng)。

解決方案的技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)技術(shù)架構(gòu)圖

1.1 IP流量采集

IP 流量采集設(shè)備，使用普通的x86 架構(gòu)的PC 服務(wù)器，安裝Debian 操作系統(tǒng)，流量采集軟件使用C 語言編寫，調(diào)用使用比較廣泛的數(shù)據(jù)抓包庫libpcap[16]捕獲數(shù)據(jù)報(bào)并分析。采集設(shè)備的部署位置比較靈活，既可以在核心交換機(jī)上配置一個(gè)上行端口的鏡像口，也可以在出口路由器的內(nèi)網(wǎng)口配置一個(gè)鏡像口（注：如果內(nèi)網(wǎng)訪問外網(wǎng)的時(shí)候存在NAT 情況，必須在內(nèi)網(wǎng)和NAT設(shè)備之間做端口鏡像，否則無法有效獲取內(nèi)網(wǎng)IP 地址）。

（1）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)

目前校園網(wǎng)只有以太網(wǎng)設(shè)備，在處理數(shù)據(jù)報(bào)的時(shí)候，只處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)。參照RFC894[17]的描述，以太網(wǎng)幀格式如圖2 所示。

圖2 以太網(wǎng)幀格式

在結(jié)構(gòu)圖中，Type 的值決定了數(shù)據(jù)報(bào)的類型：

當(dāng)Type 的值為0x8100、0x9100、0x9200、0x88a8 之一時(shí)，表示該數(shù)據(jù)報(bào)包含VLAN 信息，需要?jiǎng)冸xVLAN信息后再進(jìn)行處理。

當(dāng)Type 的值為0x0800 時(shí)，表示該數(shù)據(jù)報(bào)是IPv4數(shù)據(jù)報(bào)，數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭格式如圖3（RFC791[18]）所示。

圖3 IPv4數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭格式

當(dāng)Type 為0x86dd 時(shí)，表示該數(shù)據(jù)報(bào)為IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)，數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭格式如圖4（RFC2460[19]）所示。

圖4 IPv6數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭格式

為了提高數(shù)據(jù)報(bào)分析的效率，只采集數(shù)據(jù)報(bào)中的源IP、目的IP、版本（IPv4 或者IPv6）、協(xié)議（TCP[20]、UDP[21]、ICMP[22-23]）對(duì)于TCP 和UDP，還需要提取源端口和目的端口，對(duì)于ICMP，需要提取TYPE 和CODE作為源端口和目的端口。

（2）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)處理

在流量采集過程中，以數(shù)據(jù)報(bào)的關(guān)鍵信息：源IP、目的IP、源端口、目的端口、版本、協(xié)議作為流量聚合的鍵值，為了方便后面的查詢處理，以60 秒為一個(gè)聚合周期；為了平衡采集性能和內(nèi)存占用，以5 分鐘為一個(gè)周期，把采集到的流量數(shù)據(jù)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。

1.2 用戶信息采集

（1）MAC 信息采集

IP+MAC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要通過定時(shí)到核心交換機(jī)或者網(wǎng)關(guān)設(shè)備里面采集，并把采集到的信息記錄到中心數(shù)據(jù)庫中。以銳捷的核心交換機(jī)N18000 作為MAC的采集設(shè)備，不同廠家的設(shè)備有不同的命令形式，以下所有命令皆以N18000 為準(zhǔn)[24]。

查看IPv4+MAC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以使用“show arp”這條命令，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 show arp輸出示例

可以使用如下的方式提取出有效的IPv4+MAC 對(duì)應(yīng)關(guān)系（代碼為PHP 腳本）：

查看IPv6+MAC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以使用“show ipv6 neighbors”這條命令，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 show ipv6 neighbors 輸出示例

可以使用如下的代碼提取出有效的IPv6+MAC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系（代碼為PHP 腳本）：

（2）SAM 實(shí)名認(rèn)證用戶信息的采集

校園網(wǎng)使用的是銳捷的SAM+實(shí)名認(rèn)證系統(tǒng)，可以通過SAM+的認(rèn)證日志，提取出某個(gè)時(shí)段的IPv4+MAC+用戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系。分析SAM+的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在線用戶的信息保存在ONLINE_USER 數(shù)據(jù)表中，有效的數(shù)據(jù)字段是：USER_ID、USER_MAC、USER_IPV4、USER_IPV6、USER_NAME、CREATE_TIME，分別表示：用戶賬號(hào)、MAC、IPv4、IPv6、用戶姓名、認(rèn)證時(shí)間。如果是使用WebPortal 認(rèn)證方式，那么IPv6 字段是空值，只有使用客戶端認(rèn)證的時(shí)候，IPv6 才顯示為有效值。對(duì)于已經(jīng)離線的用戶，可以通過ONLINE_DE?TAIL 這個(gè)數(shù)據(jù)表來獲取認(rèn)證記錄，但是，這個(gè)表中并沒有用戶姓名的記錄，因此，在提取信息的時(shí)候，需要關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)表USERINFO 來獲取用戶姓名，相關(guān)的SQL語句如下：

因?yàn)榈卿浫罩竞芏啵豢赡軐?shí)時(shí)得到SAM+的數(shù)據(jù)庫中獲取信息，否則會(huì)對(duì)生產(chǎn)服務(wù)器產(chǎn)生過大的壓力，因此，本方法采用定時(shí)同步的方法（同步時(shí)間間隔5 分鐘，這樣既保證了有效的時(shí)間粒度，又對(duì)SAM+的數(shù)據(jù)庫沒有影響），把SAM+數(shù)據(jù)庫的有效信息同步到中心數(shù)據(jù)庫中，這樣在后面的流量分析模塊處理用戶信息的時(shí)候，不會(huì)影響到SAM+的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 流量分析

（1）流量整合

通過分析流量探針的數(shù)據(jù)庫里面的流量記錄和中心數(shù)據(jù)庫里面的IP+MAC 的記錄和IP+MAC+用戶的記錄，整合成完成的流量日志，保存到中心數(shù)據(jù)庫中，以供流量展示模塊進(jìn)行展示。

具體方法是通過一個(gè)后臺(tái)腳本，定時(shí)把流量信息從流量探針數(shù)據(jù)庫同步到中心數(shù)據(jù)庫，為了平衡性能和時(shí)間，腳本每5 分鐘同步一次，在同步的時(shí)候，首先到流量探針數(shù)據(jù)庫獲取最新的流量信息，這個(gè)流量信息具有如下關(guān)鍵字段：源IP、目的IP、源端口、目的端口、版本、協(xié)議、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等，通過用戶設(shè)置的內(nèi)網(wǎng)IP 范圍，修正流量信息的入流量和出流量，然后再到中心數(shù)據(jù)庫中查找對(duì)應(yīng)的時(shí)間段該IP 所對(duì)應(yīng)的用戶信息，如果沒有有效的實(shí)名認(rèn)證用戶，就用MAC 作為流量的用戶信息。然后把整合后的具有完整信息的流量記錄保存到中心數(shù)據(jù)庫的流量表中。

（2）流量聚合

為了方便流量展示模塊的展示效率，還需要對(duì)歷史流量進(jìn)行聚合。為了展示的方便，在中心數(shù)據(jù)庫中生成如下數(shù)據(jù)表：T_FLOW_M5、T_FLOW_TOTAL_M5、

T_FLOW_H1、 T_FLOW_TOTAL_H1、 T_FLOW_D1、T_FLOW_TOTAL_D1 分別保存5 分鐘的流量聚合、1小時(shí)的流量聚合、1 天的流量聚合。

以5 分鐘的流量聚合為例，可以使用如下的SQL語句來實(shí)現(xiàn)（數(shù)據(jù)庫使用MySQL），代碼中的'2020-08-12 23:55:00'表示聚合時(shí)刻，'2020-08-12 23:50:00'表示最后一次聚合時(shí)刻，'2020-08-12 23:45:00'表示5 分鐘總流量的最后聚合時(shí)刻：

1.4 流量展示

通過查詢中心數(shù)據(jù)庫的流量記錄，以直觀而友好的圖表展示用戶的流量記錄。

2 結(jié)語

在銳捷SAM+DHCP 環(huán)境下，先通過核心交換機(jī)獲取某個(gè)時(shí)段的IP 與MAC 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再通過銳捷SAM+的用戶上網(wǎng)記錄和在線記錄獲取某個(gè)時(shí)段IPv4與實(shí)名用戶的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后結(jié)合流量監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取的流量信息，把IP（IPv4+IPv6）的流量信息與實(shí)名用戶對(duì)應(yīng)，是能夠準(zhǔn)確獲取實(shí)名用戶的實(shí)時(shí)流量的。

圖7 24 小時(shí)所有用戶總流量

圖8 24 小時(shí)用戶總流量TOP10

圖9 某個(gè)用戶24 小時(shí)總流量

圖10 某個(gè)用戶24 小時(shí)目的IP 流量TOP10