復(fù)合型軟路由平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

林爍銘，羅浩銘

（惠州經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東惠州，515057）

1 概述

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,通用處理器的性能得到了極大地提高,在某些特定的場合已經(jīng)可以勝任很多之前只有專用處理器才能完成的任務(wù)。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展, 普通服務(wù)器與專用硬件路由器的硬件性能差距縮短,使得我們能夠使用普通服務(wù)器配置軟路由來代替專用硬件路由器.本論文路由器整機是基于x86架構(gòu)的主流PC機并增加網(wǎng)卡，并在VMware 虛擬機上安裝Ruter OS，pfsense和Oper WRT等適用于嵌入式設(shè)備的 Linux 發(fā)行版本，搭建一個具有開放性和易用性的路由器，幫助中小企業(yè)管理辦公室網(wǎng)絡(luò)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

此路由器在主流PC上安裝VMware EXSI虛擬機系統(tǒng)，在VMware EXSI平臺上安裝Ruter OS、Pfsense和Open wrt系統(tǒng)，并通過內(nèi)部邏輯交換機，搭建一個功能強大的路由器。

PC主機：本文路由器使用的PC主機為DELL OptiPlex 9020，4 CPUs x Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1265L v3 @2.50GHz，內(nèi)存16G。

VMware EXSI：VMware ESXI適用于X86架構(gòu)的虛擬計算機軟件。它能提供完全動態(tài)的資源可測量控制，可以實現(xiàn)服務(wù)器部署整合，為企業(yè)未來成長所需擴展空間，可因兼并服務(wù)器減少設(shè)備購買及維護(hù)成本。讓IT人員做更有效的資源調(diào)度，并獲得更好且安全周密的防護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難時，可以在最短時間迅速復(fù)原系統(tǒng)的運作。本論文路由器使用的EXSI版本為免費版本，功能滿足要求。

Router OS：一種路由操作系統(tǒng)，并通過該軟件將標(biāo)準(zhǔn)的PC電腦變成專用的路由器，在軟件的開發(fā)和應(yīng)用上不斷的更新和發(fā)展，功能在不斷增強和完善。特別在無線、認(rèn)證、策略路由、帶寬控制和防火墻過濾等功能上有著非常突出的功能。

Open WRT ：一個為嵌入式設(shè)備(通常是無線路由器)開發(fā)的高擴展度的GNU/Linux發(fā)行版。

PFsense：一個基于FreeBSD,專為防火墻和路由器功能定制的開源版本。它被安裝在計算機上作為網(wǎng)絡(luò)中的防火墻和路由器存在,并以可靠性著稱。

3 平臺分析

■3.1 平臺的需求分析

目前，在企業(yè)與外部網(wǎng)絡(luò)的交接處通常部署防火墻作為通信必要設(shè)備。企業(yè)通常購買思科，華為等廠家的硬件防火墻。并且企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、部署和維護(hù)基本由廠家完成，廠家固定，成本高。本論文采用軟件路由器取代專業(yè)硬件路由器，有效降低中小企業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本，增加部署和維護(hù)的靈活性，可擴展性。

X86架構(gòu)PC機上實現(xiàn)軟路由功能，即可擁有企業(yè)級的路由器及防火墻，具有上網(wǎng)行為管理，流量控制，抵御外界網(wǎng)絡(luò)攻擊等防火墻功能。從性能上，軟路由的硬件架構(gòu)是基于當(dāng)前的主流PC，使用了X86架構(gòu)的處理器性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于專業(yè)路由器設(shè)備。電腦端擴展性很強，容易添加內(nèi)存提升整體的數(shù)據(jù)吞吐量。從價格上，實現(xiàn)同樣性能的軟路由，價格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬路由。

■3.2 平臺的可行性分析

從技術(shù)可行性的角度分析，硬件上可選PC主機，并增加多網(wǎng)口網(wǎng)卡。軟件上，虛擬機平臺選擇使用WMware EXSi，EXSi直接運行在硬件上，在ESXi 服務(wù)器上創(chuàng)建多個VM（虛擬機），在為這些虛擬機安裝好不同的路由系統(tǒng)，包括OpenWRT、Router OS 和Pfsense 系統(tǒng)。使之成為能提供各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的虛擬服務(wù)器。ESXi 也是從內(nèi)核級支持硬件虛擬化，運行于其中的虛擬服務(wù)器在性能與穩(wěn)定性上不亞于普通的硬件服務(wù)器，而且更易于管理維護(hù)。

VMware ESXi提供虛擬化層組件的作用。ESXi用于協(xié)調(diào)物理計算機的資源，同時通過ESXi管理其上的虛擬機，進(jìn)行部署、遷移等操作。 同時還可以通過ESXi對物理計算機上的網(wǎng)絡(luò)存儲資源進(jìn)行管理，ESXi通過配置虛擬交換機上的vSwitch管理配置網(wǎng)絡(luò)資源。

從經(jīng)濟可行性的角度分析，硬件主機可選使用了3到5年的PC主機。虛擬機VMware ESXi提供免費版本，免費版本的功能足夠完成任務(wù)。路由系統(tǒng)OpenWRT、Router OS和Pfsense都是免費的。

因此，從技術(shù)和經(jīng)濟可行性來看，平臺的開發(fā)應(yīng)用是可行的。

■3.3 平臺的功能分析

3.3.1 平臺的角色

本論文的軟路由器主要做為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理中心，既提供連接互聯(lián)網(wǎng)運營商的出口防火墻功能，也提供內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理功能，在一般的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，充當(dāng)核心層交換機或路由器，以及出口防火墻的地位。

3.3.2 功能分析

3.3.2.1 平臺的管理

虛擬機VMware ESXi提供web接入，在ESXi的web頁面，為各個路由系統(tǒng)提供控制臺窗口。在控制臺窗口上，可使用命令行對各個路由系統(tǒng)進(jìn)行管理和配置。除了ESXi的控制臺窗口，各個路由系統(tǒng)還提供web接入。在web頁面，可以對各個路由系統(tǒng)進(jìn)行高級功能配置和管理。實現(xiàn)各個路由系統(tǒng)web接入的原因是EXSi自帶虛擬交換機，而虛擬交換機連接物理主機的網(wǎng)口，那么外部的管理主機就可以通過網(wǎng)口接入各個路由系統(tǒng)。

3.3.2.2 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理

在物理接入上，物理主機增加了多網(wǎng)口網(wǎng)卡，網(wǎng)卡提供網(wǎng)口給其它PC主機、交換機和無線路由器接入。在功能上，此軟路由器平臺提供DHCP功能，為用戶分配IP地址；提供DNS服務(wù)器功能，內(nèi)部用戶訪問企業(yè)內(nèi)部web服務(wù)器和其它服務(wù)器時提供DNS解析服務(wù)；提供DNS解析分流功能，在用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，分流到出口。

3.3.2.3 外部網(wǎng)絡(luò)管理

此軟路由器平臺提供PPPoE撥號和固定IP連接運營商網(wǎng)絡(luò)功能；提供NAT功能，為內(nèi)部用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)提供地址轉(zhuǎn)換；提供防火墻功抵御外部網(wǎng)絡(luò)攻擊。為企業(yè)提供企業(yè)分支機構(gòu)之間互聯(lián)，提供的方式多種，包括PPTP，L2TP/IPSec PSK、Open Vpn等。

4 平臺設(shè)計

■4.1 平臺技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

平臺采用WMware EXSi虛擬化機構(gòu)。在WMware EXSi虛擬化系統(tǒng)上安裝路由系統(tǒng)。架構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 WMware EXSI 平臺架構(gòu)

■4.2 平臺邏輯連接設(shè)計

此VMware EXSi虛擬化套件自帶虛擬交換機實現(xiàn)路由系統(tǒng)之間的連接，并且虛擬交換機能與物理機的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行連接，實現(xiàn)虛擬路由系統(tǒng)與外界設(shè)備也能進(jìn)行連接。本論文的軟路由器平臺的邏輯連接設(shè)計如圖2所示。

圖2 軟路由平臺邏輯設(shè)計

■4.3 平臺功能設(shè)計

在VMware EXSi上的各個路由系統(tǒng)負(fù)責(zé)的功能如表1所示。

表1 各路由系統(tǒng)的功能

■4.4 平臺業(yè)務(wù)流程設(shè)計

用戶在上網(wǎng)的過程中，通過Pfsense1的DHCP服務(wù)器獲得IP地址。網(wǎng)關(guān)為一個Router OS系統(tǒng)，此Router OS做為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問內(nèi)部網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的DNS緩存，提供DNS轉(zhuǎn)發(fā)功能，把用戶的DNS請求消息發(fā)給Open Wrt系統(tǒng)。OpenWrt系統(tǒng)提供DNS分流功能。當(dāng)內(nèi)部用戶訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)web服務(wù)器和其它服務(wù)器時，DNS請求就會發(fā)給Pfsense-2進(jìn)行DNS解析。而當(dāng)內(nèi)部用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，此DNS請求消息就會發(fā)給Router OS主路由器，由這個RouterOS主路由向外部的DNS服務(wù)器請求DNS解析。

5 平臺實現(xiàn)

■5.1 硬件平臺的實現(xiàn)

本方案硬件平臺采用DELL OptiPlex 9020，加裝16G內(nèi)存和4個1000M網(wǎng)口的網(wǎng)卡，把原機械硬盤替換為128G固態(tài)硬盤。

■5.2 軟件平臺的實現(xiàn)

5.2.1 ESXi的安裝和管理配置

軟件虛擬機平臺采用ESXi-6.7.0標(biāo)準(zhǔn)版本。ESXi不依賴于任何操作系統(tǒng)，它本身就可以看作一個操作系統(tǒng)，可直接在PC機上安裝。安裝過程與普通Liunx安裝過程相似。安裝完成后，可使用web瀏覽器登錄EXSi。登錄EXSi第一步要設(shè)置網(wǎng)卡直通，把PC主機的網(wǎng)卡接入EXSi進(jìn)行管理。接著添加虛擬交換機，根據(jù)圖2所示的邏輯連接圖，wlan交換機連接PC機的0號接口，而lan1，lan2和lan3交換機分別連接PC機的1號，2號和3號接口，為各個路由系統(tǒng)的連接做好準(zhǔn)備。

5.2.2 各路由系統(tǒng)的安裝

各路由系統(tǒng)需要在ESXi系統(tǒng)上作為虛擬機運行。因此需要登錄ESXi上，使用ESXi上的工具來進(jìn)行安裝。安裝過程類似在VMware workstation上安裝Linux操作系統(tǒng)。以安裝Router OS為例，首先新建虛擬機，設(shè)置客戶機操作系統(tǒng)系列Linux，以及存儲設(shè)置；接著創(chuàng)建目錄，上傳Router OS固件；接著添加PCI設(shè)備，其實就是虛擬網(wǎng)口，安裝之后可以連接虛擬交換機接口；最后完成安裝。

5.2.3 各路由系統(tǒng)的連接和配置管理

各個路由系統(tǒng)安裝完成之后，根據(jù)之前的邏輯連接設(shè)計在把各個路由系統(tǒng)通過EXSi上的虛擬交換機連接起來，組成一個功能強大的復(fù)合型的路由器平臺。接下來根據(jù)各個路由系統(tǒng)在平臺擔(dān)任的功能角色進(jìn)行配置。以負(fù)責(zé)主路由的Router OS的為例說明。

5.2.3.1 Router OS登錄

設(shè)置使用WinBox，首先Winbox可以通過mac地址找到Router OS系統(tǒng)，初始使用mac地址登錄，設(shè)置IP地址之后，可以用ip地址登錄，初始密碼為空。

5.2.3.2 設(shè)置網(wǎng)口和地址

Router OS系統(tǒng)上的一個接口，此接口連接EXSi上名為wlan虛擬交換機，此交換機連接PC主機的一個0號網(wǎng)口，因此設(shè)置此接口為撥號口，定義為wan口。其它接口作為連接其它路由系統(tǒng)的接口，定義為lan口，根據(jù)邏輯連接圖配置IP地址。

接著實現(xiàn)PPPOE撥號，定義各一個PPPOE client接口，選擇wan口作為撥號出口，設(shè)置撥號的賬號和密碼。

5.2.3.3 設(shè)置防火墻和外部DNS

Router OS自帶防火墻功能，在防火前選項中新建NAT規(guī)則，在“action”選項卡中，選擇masquerade，地址偽裝選項，這樣防火墻的NAT就設(shè)置完成了。然后設(shè)置防火前的過濾規(guī)則，如禁止某些IP地上網(wǎng)，禁止訪問某些外網(wǎng)IP地址。在DNS選項卡中設(shè)置外部互聯(lián)網(wǎng)運營商提供的DNS地址，為內(nèi)部用戶連接互聯(lián)網(wǎng)提供DNS解析服務(wù)。

■5.3 各個路由系統(tǒng)的配置

除了上面的主路由Router OS的設(shè)置外，還需要完成擔(dān)任DNS緩存功能的Router OS設(shè)置；負(fù)責(zé)DNS分流的Open WRT的設(shè)置；負(fù)責(zé)DHCP功能的pfsense-1的設(shè)置；負(fù)責(zé)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)DNS解析服務(wù)的pfsense-2的設(shè)置。完成這些設(shè)置之后，這臺高性能的路由平臺才能正常工作。

6 平臺測試云運行

業(yè)務(wù)測試是設(shè)備集成開發(fā)必不可少的重要環(huán)節(jié)。平臺在開發(fā)過程中，始終堅持變開發(fā)變測試的做法，在不同的階段測試相應(yīng)的功能。例如，在完成ESXi的邏輯交換機連接物理PC機接口后，通過連接網(wǎng)線，測試EXSi對物理接口的狀態(tài)獲取。在各個路由系統(tǒng)接口完成連接并配置IP地址之后，測試各個接口的連接是否正常。在完成安裝主路由Router OS之后進(jìn)行配置防火墻。測試防火墻的功能。

7 結(jié)束語

本文對軟路由平臺進(jìn)行分析、設(shè)計，運用WMware EXSi虛擬機架設(shè)平臺，安裝各種路由系統(tǒng)包括Router OS、Open WRT和Pfsense，使用虛擬交換機實施連接系統(tǒng)內(nèi)部和主機外部網(wǎng)卡，實現(xiàn)一個功能強大的軟路由器。從平臺運行的情況來看，能有效的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量分流，并有效的限制內(nèi)部用戶的上網(wǎng)行為。為中小型企業(yè)提供一個低成本的網(wǎng)絡(luò)管理中心平臺選項。