[摘要] 隨著Internet應(yīng)用的迅猛發(fā)展，校園網(wǎng)帶寬管理日益成為網(wǎng)絡(luò)管理者不得不面對(duì)的問(wèn)題。本文以Linux Traffic Control為工具，使用HTB作為層次式帶寬共享框架，以U32分類器作為包分類的工具，規(guī)劃和設(shè)計(jì)校園網(wǎng)帶寬管理，以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬使用效率。

[關(guān)鍵詞] Tracfic control U32 HTB

如何將有限的帶寬資源做最有效分配是網(wǎng)絡(luò)管理者必須考慮的問(wèn)題，由于成熟的商業(yè)帶寬管理產(chǎn)品動(dòng)輒幾萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)以上，對(duì)于學(xué)校單位或小企業(yè)來(lái)講是一筆天文數(shù)字。如果能使用開(kāi)源Linux平臺(tái)與普通計(jì)算機(jī)設(shè)備作為校園帶寬管理器，并以透明網(wǎng)橋的方式架設(shè)在校園網(wǎng)INTERNET出口做管理，對(duì)于學(xué)校單位或小企業(yè)有著很重要的價(jià)值，將大大減輕單位經(jīng)費(fèi)開(kāi)支并有效增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)帶寬管理能力。

一、帶寬管理主要功能

網(wǎng)絡(luò)中各種信息流量是以數(shù)據(jù)包方式進(jìn)行傳輸?shù)?，它們互相?zhēng)奪有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬足以滿足信息流量時(shí)并不會(huì)有影響，但是當(dāng)包總流量超過(guò)網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載時(shí)就會(huì)發(fā)生擁塞，好比在道路上行駛的各種車輛，因互相爭(zhēng)奪車道造成整條道路嚴(yán)重塞車;但是如果每一車輛能夠按所分配的車道行駛，可能當(dāng)汽車、貨車等車道發(fā)生擁塞時(shí)而公交車仍然能夠順暢行駛。

網(wǎng)絡(luò)帶寬管理概念與車道劃分觀念相相似，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)仍可保障重要應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)帶寬，通常把網(wǎng)絡(luò)帶寬切割成幾個(gè)不同的通道，把各種類型的流量控制在規(guī)定的帶寬中傳輸，這樣，就不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，各種流量互不相讓的情況。

帶寬管理器一般置于LAN與Internet的中間，如圖1所示，利用隊(duì)列算法調(diào)整包送出順序，讓優(yōu)先級(jí)高包優(yōu)先通過(guò)，延遲優(yōu)先級(jí)低的包，以保證帶寬的服務(wù)，主要功能特性如下:

1.保證帶寬

事先設(shè)定帶寬管理規(guī)則，對(duì)帶寬的使用作適當(dāng)規(guī)劃，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)可提供基本帶寬保證;可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的使用特性預(yù)先規(guī)劃出重要用戶、重要部門或?qū)崟r(shí)性應(yīng)用等等，給予適當(dāng)保證帶寬以確保其傳輸服務(wù)質(zhì)量。

2.限制帶寬

對(duì)于一般非實(shí)時(shí)性的應(yīng)用如 e- mail或 www、ftp則分配適量的限制頻寬，以免由于大量下載占用大量的帶寬而影響其他網(wǎng)路應(yīng)用的進(jìn)行。

3.帶寬共享/互借

不同類別的帶寬之間如何做帶寬共享與互借，除了依規(guī)劃分配帶寬外，更進(jìn)一步將目前未使用帶寬提供給需要的類別，可避免帶寬浪費(fèi)進(jìn)而提高帶寬的使用率。

二、網(wǎng)絡(luò)帶寬共享架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)帶寬共享架構(gòu)一般可按下列方式組織:

1.以組織為單位

組織可為一個(gè)部門、某一段IP地址或網(wǎng)段，每一個(gè)組織可分配到保證帶寬，且當(dāng)某一個(gè)組織所分配的帶寬有剩余時(shí)可供其它組織所使用。

2.以流量類型或服務(wù)類別為單位

根據(jù)不同流量類型(如 telnet、ftp、www、real- time audio與video)作不同的帶寬分配。在帶寬分配時(shí)可根據(jù)數(shù)據(jù)流量的重要性作帶寬占有率參考，如telnet、ftp、www類型數(shù)據(jù)無(wú)時(shí)間延遲的顧慮可配給較少保證帶寬;而 real-time audio與 video類型數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間延遲與包丟失有相當(dāng)敏感性，應(yīng)配置較高保證帶寬。

由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益豐富，數(shù)據(jù)流量類型亦趨復(fù)雜，可在上述各種的網(wǎng)絡(luò)帶寬分享類型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步規(guī)劃組合形成一較復(fù)雜的層次型網(wǎng)絡(luò)帶寬共享類型，如圖2所示，整體網(wǎng)絡(luò)帶寬由兩個(gè)部門所分享，而部門所占用的帶寬又分配各種不同服務(wù)類型去使用。

可將網(wǎng)絡(luò)帶寬規(guī)劃想象成一顆樹(shù)，其中樹(shù)干代表網(wǎng)絡(luò)可得到最大帶寬稱為root class，每一分枝(branch)稱為class，每一個(gè)class可使用其父節(jié)點(diǎn)分支帶寬，若有需求時(shí)可經(jīng)由父節(jié)點(diǎn)借其兄弟姊妹class未使用的帶寬，整棵樹(shù)可表示網(wǎng)絡(luò)適配器的帶寬管理設(shè)定。

根據(jù)上述說(shuō)明可總結(jié)網(wǎng)絡(luò)帶寬共享( Link- sharing)的主要原理為:

1.首先根據(jù)設(shè)定一初始的帶寬保證，每一個(gè) interior或 leaf class能夠得到所分配的帶寬，當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)這些 class將在保證帶寬范圍內(nèi)。

2.當(dāng)某些class未完全使用它所被分配的帶寬時(shí)，其剩余的帶寬不會(huì)任意分配給其它 class，必須遵循一套適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)方針去處理剩余帶寬。例如圖2中，當(dāng)部門A所分配的FTP帶寬尚有剩余帶寬時(shí)將由WWW與其它帶寬類別所分享使用。

三、TC原理介紹

Linux操作系統(tǒng)中的流量控制器TC(Traffic Control)用于Linux內(nèi)核的流量控制，主要是通過(guò)在輸出端口處建立一個(gè)隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。Linux流量控制的基本原理如下圖3所示。

數(shù)據(jù)包進(jìn)來(lái)后，由Input De-Multiplexing進(jìn)行判斷選擇:如該接收包的目的地是本地地址則將該封包送給上層協(xié)議(TCP/UDP)處理，否則將進(jìn)入的數(shù)據(jù)包送至forwarding處理，forwarding也可能接受由本地產(chǎn)生經(jīng)傳輸層所傳入的包，其主要是負(fù)責(zé)選擇輸出接口與處理查詢 routing table并決定該包的下一個(gè)目的地，最后則將送入 output queue中進(jìn)行相關(guān)分類后排列輸出，一般我們只能限制網(wǎng)卡發(fā)送的數(shù)據(jù)包，不能限制網(wǎng)卡接收的數(shù)據(jù)包，所以我們可以通過(guò)改變發(fā)送次序來(lái)控制傳輸速率。Linux流量控制主要是在輸出接口排列時(shí)進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)的。

四、校園網(wǎng)帶寬管理實(shí)現(xiàn)

在校園網(wǎng)帶寬管理設(shè)計(jì)時(shí)采用Linux TC(Traffic Control)作為工具，并使用HTB作為層次型帶寬共享系統(tǒng)的主要技術(shù)組件，以U32分類器作為封包分類工具，而各類別帶寬內(nèi)部隊(duì)列算法采用SFQ，希望借著公平性原則讓各個(gè)鏈接平均地分享帶寬。下面簡(jiǎn)介實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù):

HTB : Hierarchy Token Bucket(層次型令牌桶)。是一個(gè)基于類的隊(duì)列規(guī)定算法。?它是CBQ的一個(gè)精簡(jiǎn)改進(jìn)版，繼承了CBQ的多項(xiàng)功能，去掉了一些復(fù)雜且不實(shí)用的部分。HTB可以實(shí)現(xiàn)帶寬分類、帶寬共享、設(shè)置優(yōu)先級(jí)、設(shè)定突發(fā)流量等功能。更重要的是，HTB改變了限制帶寬的方法。它通過(guò)限制每個(gè)分隊(duì)列上數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率來(lái)限制每個(gè)分類的帶寬。提高了帶寬限制的精確度。對(duì)于每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)說(shuō)，同一時(shí)刻只能發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，所以網(wǎng)絡(luò)接口處數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率是一定的。HTB隊(duì)列規(guī)定通過(guò)在一個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)從每個(gè)分類的分隊(duì)列中取出的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)來(lái)決定該分類的帶寬。取的數(shù)據(jù)包數(shù)越多，則分配給它的帶寬就越大。這就很好地解決了CBQ對(duì)帶寬限制不精確的問(wèn)題。并且允許特定的類可以突破帶寬上限，占用其他類的帶寬，實(shí)現(xiàn)帶寬借用。HTB 可以通過(guò)TBF (Token Bucket Filter)實(shí)現(xiàn)帶寬限制，也能夠劃分類別的優(yōu)先級(jí)。

SFQ : Stochastic Fairness Queuing(隨機(jī)公平隊(duì)列)，SFQ隊(duì)列規(guī)定是公平隊(duì)列算法家族中的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。它將數(shù)據(jù)流分成相當(dāng)多數(shù)量的FIFO隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列按照輪轉(zhuǎn)的方式發(fā)送，每個(gè)會(huì)話都按順序得到發(fā)送機(jī)會(huì)。需說(shuō)其精確性不如其它方法，但這種方式非常公平，在實(shí)現(xiàn)高度公平的同時(shí)，需要的計(jì)算量卻最少。在校園網(wǎng)帶寬管理時(shí)可作為最底層類別的內(nèi)部 qdisc，提供類別中各個(gè)連接平均分享該帶寬。

U32 filter:u32 是目前性能最優(yōu)的過(guò)濾器。可根據(jù)源/目標(biāo)IP地址、源/目標(biāo)TCP/UDP端口、TOS和協(xié)議進(jìn)行分類。u32有選擇子(Selector)和動(dòng)作(Action)兩個(gè)部分。系統(tǒng)首先用每條準(zhǔn)則的選擇子與數(shù)據(jù)包做比較，如果匹配成功，則把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到定義好的HTB 類中。Selector定義了用于和數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較的匹配模式，目前有兩種形式的選擇子:通用(Generic)選擇子和特定(Specitic)選擇子。使用Generic可匹配IP頭或更高層的協(xié)議頭中的任何位，要求用戶對(duì)IP 數(shù)據(jù)包的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常了解。Specitic的形式相對(duì)直觀，最后系統(tǒng)內(nèi)部還是轉(zhuǎn)化成Generic來(lái)匹配的。

五、結(jié)束語(yǔ)

在目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，適當(dāng)?shù)乩脤哟涡途W(wǎng)絡(luò)帶寬共享技術(shù)做帶寬管理，依照流量本身的特性或重要性，妥善地分類及分配各項(xiàng)流量帶寬，適當(dāng)?shù)膸捁芾聿呗砸?guī)劃是解決學(xué)?；蚱髽I(yè)網(wǎng)絡(luò)出口瓶頸的關(guān)鍵。希望本文的討論能給學(xué)?；蚱髽I(yè)的網(wǎng)絡(luò)帶寬管理提供些參考，以便將目前有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬作適當(dāng)?shù)匾?guī)劃、有效地分配與分享，進(jìn)而建置一個(gè)完全適合于自己網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求的帶寬管理策略。

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