基于分層令牌桶的通訊流量控制模型的設計

許冰暉

[摘要]當前，大流量的網絡應用已越來越成為主流，而這些應用對網絡帶寬的占用也越來越大，如何對網絡進行有效的通訊流量控制，已經成為一個急需解決的難題。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策略較好地實現對通訊流量的監控與限制，在很大程度上減輕網絡負擔。

[關鍵詞]分層令牌桶通訊流量控制過濾器

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

一、引言

在Internet飛速發展的今天，P2P等大流量的網絡應用已經成為上網的主要應用之一。一般人除了收發郵件、瀏覽網頁外，越來越多人使用BitTorrent、eMule、電驢、迅雷等p2p工具進行網絡資源的下載與上傳。可是這些應用也有一個缺點，就是耗損的網絡帶寬非常巨大，往往是有多少帶寬就用多少帶寬，從而造成內網帶寬、外網鏈路都被這些應用所占用，導致內網用戶之間帶寬分配不公平。如何對網絡進行有效的通訊流量控制，從而地解決內外網的帶寬問題，是現在面臨的一個急需解決的難題。

二、當前通訊流量控制技術的局限性

傳統的網絡設備如交換機、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，而無法應對大流量的網絡環境。

防火墻主要是通過IP地址、TCP／UDP端口實現對網絡通訊流量的控制，而路由器和交換機是通過IP包頭、TCP包頭等參數實現對通訊流量的控制，而當前很多應用軟件都是通過跳躍端口或隨機端口甚至是80端口進行數據傳輸的，這樣一來，傳統的網絡設備對此就顯得無能為力了。

而當前的專業流量管理設備主要基于第七層應用進行流量管理，雖然從一定程度上緩解了上述的這些問題，但是同時也帶來了新的問題。互聯網的應用及傳輸協議成千上萬，不可能保證所有的應用都能正確識別，由于應用的不斷增加不斷變化，流量管理設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從而跟上應用軟件的不斷更新。

目前各種網絡應用的數據傳輸方式日益復雜，通過協議加密等方式實現數據傳輸，對于這些流量控制設備而言，控制難度也在日益加大。當應用是通過加密或壓縮的方式進行流量傳播時，設備很難再進行應用的識別。如此一來，之前所有制定的流量管理策略都失效了。網絡應用是在時刻變化的，網絡本身也是時刻變化的，這使得網絡管理員要不斷的監測網絡中各種應用的流量，不斷的升級各種新的應用的協議特征碼。今天制定的流量管理策略有效，當明天出現新的應用時，又需要重新制定流量管理策略。這些硬傷都決定了這些設備無法大規模地應用到實際當中。

三、通訊流量控制系統的功能需求

通過上述分析和對網絡實際應用的研究，我們可以確定一個較完善的通訊流量控制系統至少應該具備如下幾下功能：

1、系統需能夠針對每用戶／IP定義流量使用份額；

2、系統需能夠通過調整各項參數來減少整個網絡的延時；

3、系統需能夠提供“動態流量管理”來保證帶寬的最大使用率。

四、分層令牌桶排隊策略

分層令牌桶排隊策略是由Martin Devera編寫的一個等級化、基于類的連接共享的排隊策略，目的是替代基于類的排隊策略Qdisc(CBQ)。分層令牌桶排隊策略比CBQ更快速。從2.4.20版本開始，標準的Linux內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計

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之間，用來改變或優化內部網絡和互聯網之間的數據流，這種數據流是雙向的，即從內部網絡流向互聯網，以及從互聯網流向內部網絡。

我們將所有數據流都放置在隊列中，因為數據流在網絡中的傳輸速度不相同，總是有快有慢，如果沒有隊列將出現丟包的問題，這也是隊列最主要的作用。而隊列對數據流的處理是基于FIFO(先進先出)的策略。我們在隊列中建立數據類別，如FTP、HTTP等，隊列中的數據根據這些類別進行自動分類，然后設定不同數據類別的優先級別或時間順序，從而控制隊列中的數據流，確保高優先級的數據流總是比低優先級的數據流先進行處理。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應用來控制數據流，比如重要的應用如Citrix、VPN等可以優先進行處理，而P2P等可以滯后處理，從而達到優化網絡流量的目的。

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絡通訊流量的作用的。

以下是其中一些重要定義：

ODisc－即排隊策略，是一個安排網絡包如何通過的調度者。FIFO是一種典型的簡單調度模型。

Class－一個類僅可以在一個Classful QDisc的內部存在，并包含一系列的子類或一個單一的QDisc。

過濾器過濾器包含了分類器，其作用是基于特定的性質對包進行選擇和分類，并引導選擇的包到一個子類進行進一步的處理。過濾器可以被依附在一個Classful QDise或一個類上。

Classful QDisc一分類QDisc，一個基于類的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排隊策略，它采用了令牌和桶的概念來控制某層的流量。每個桶可以含有特定數量的令牌，而桶也以一個給定的速率灌滿。當一個網絡包存在且僅存在一個空閑的令牌時，這個網絡包將會被傳輸。

基于分層令牌桶的流量控制模型包含了一個桶的層次結構，這個結構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部類中得到控制，并指定借予模型。各個類根據以下各種不同的參數來對流量進行控制。

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，系統可以解除隊列中的溢出字節；

Quanrum-量，被用于控制借予的參數：

Prio-優先級，數值介于0—7之間，從屬于某個子類。

六、結束語

本文對分層令牌桶排隊策略在通訊流量控制中的應用進行了研究，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用的通訊流量控制系統存在的缺陷，具有較強的靈活性。