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本文出自《网管员世界》2003年第1期 征文选登 栏目
宽带复用需求分析
随着国内互联网络的蓬勃发展，ADSL与Cable-Modem接入已越来越普遍，同时资费也较传统的DDN和专线接入便宜许多。在实现多用户共享宽带接入的时候，用户的数量急剧增加会带来网络性能的下降，甚至拥塞。根据我们的经验，一条2M的DSL线路，当支持用户的数量超过100个后，在网络使用的高峰期就会产生严重的拥塞问题。因此，出于对网络性能的追求以及提高网络的费效比的目的，如何将资费较为便宜的DSL或Cable-Modem线路进行复用就成为我们面临的问题。
根据实际的应用需求，一个切实可用的宽带复用方案需要达到以下目的：
1.实现宽带接入的负载均衡。
2.当部分线路出现故障时，只要有一条接入线路可用，则网络的使用不受影响。
3.当故障排除后，系统能立即启用排除故障后的线路。
4.所有操作均自动进行，无须管理员干预，并对用户透明。
以我们的实际应用为例说明。如图1，首先配置一台装有四块网卡的Linux服务器，一块网卡接内网，其他三块接外网，目的是复用DSL线路1、DSL线路2和数字电路1，使得三条宽带接入线路（带宽均为2M）可协同工作。其中DSL线路1 IP为1.0.0.2，DSL线路2 IP为1.0.0.3，接入数字电路的网卡IP为3.0.0.2。
从接入链路的物理性质来说，所复用DSL和Cable-Modem的带宽是无法累加的，目前Linux/BSD系统的实现方法是基于IP随机分配的策略，因此对单机而言，宽带复用没有任何意义，IP随机分配的优势只有在多用户访问的时候才能体现出来。
由于多数提供DSL和Cable-Modem的ISP只提供一个IP甚至是动态分配IP地址，因此需要采用NAT技术实现IP地址转换。
实现复用的简单方法
由2.2内核开始，Linux便开始支持高级路由技术，提供策略路由，流量控制等多项高级路由功能，配合Netfilter包过滤软件，可实现许多专业路由器和防火墙才能实现的高级功能。
Linux内核的网络部分代码由最开始模仿Sun OS的网络系统，到2.2版本，重写了全部内核网络代码并推出了实现高级路由管理的软件包iproute2，目前，许多Linux商业版本都配置了该软件。
iproute2提供了整套网络管理的工具，提供了从网络配置、流量控制、策略路由等全面的网络功能。iproute的开发者还建议用户不再使用传统的 ifconfig、route等基于System V的网络命令，因为这些工具无法使用Linux系统的高级网络功能。
基于iproute2，我们可以很容易地实现接入的负载均衡。
首先删除系统的默认网关。
然后运行ip route命令：
# ip route add default equalize nexthop via 1.0.0.1 dev eth1 nexthop via 1.0.0.1 dev eth2 nexthop via 3.0.0.1 dev eth3
该命令实现了系统在三个接入IP之间随机进行选择，并送往不同的ISP。但当其中一条或多条线路失效时，系统会删除该路由，不会自动将失效线路用户转至有效线路，并且当线路失效重建时，无法恢复该路由。因此，这个解决方案不能满足我们的需求。
宽带复用的实现
Linux系统中有多种路由类型，如下表：
静态路由在失效后即被内核删除，重新生效后仍无法重建。内核路由由内核维护，对失效路由并不删除，只是标记，待线路恢复正常时可重新使用该路由。
Julian Anastasov为Linux内核写了一个补丁，实现了内核管理STATIC路由的功能，从而可以实现我们所需要的线路自适应功能。2.4.19版本内核的补丁，可在 http://www.linuxvirtualserver.org/~julian/routes-2.4.19-8.diff 下载。
编译前需要打开内核以下选项(对2.4内核)，当然，最好选择网络部分的除实验功能外的所有选项：
Networking options→
[*] IP: advanced router
[*] IP: policy routing
[*] IP: equal cost multipath
Routes补丁修补了4个头文件和12个内核的C源代码，但只是对系统的部分代码进行修改，没有新添任何新的功能。当然，打完补丁后需要重新编译内核和各个模块。
在修改内核后，就可以实现真正的自适应宽带复用。
① NAT的实现
#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
#iptables -t nat -A POSTROUTING -o ppp* -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE
#iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth3 -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE
首先需要打开系统的IP转发功能(ip_forward)以实现路由功能，同时对所有内网IP进行伪装，其中ppp*指系统所有DSL线路。
对于动态分配IP的网卡，使用MASQUERADE关键字，而对于获得了固定共网IP的网络，可使用SNAT对源地址进行伪装。
然后加载必要的NAT模块：
#depmod -a
#insmod ip_nat_ftp
#insmod ip_conntrack_ftp
#insmod ip_nat_irc
#insmod ip_conntrack_irc
② 主路由表的维护
在我们的设置中，主路由表维护系统本地网络，默认的主路由表优先级是32766，处于路由表的最下端，需要将其优先级提高，防止访问本地网络使用外部网络接口：
#ip rule add prio 10 table main
③ 外网接入路由表的维护
在主路由表之后是外网接入路由表，我们设置了101、102、103三个表，分别对应DSL线路1、DSL线路2、和数字电路1，目的是设置外网各自的默认路由，同时设置prohibit关键字使用户在线路无法使用时获取网络失效信息，从而刷新后可改用其他线路。如DSL线路1设置如下：
#ip rule add prio 101 from 1.0.0.2/24 table 101
#ip route add default via 1.0.0.1 dev eth0 proto static table 101
#ip route append prohibit default table 101 metric 1 proto static
④ 等值路由表的设定
设置等值路由表200于用户路由表的末端，提供三个接入线路的随机分配。其中 proto static关键字是我们补丁所实现的功能。
#ip rule add prio 200 table 200
#ip route add default table 200 proto static
nexthop via 1.0.0.1 dev eth1
nexthop via 1.0.0.1 dev eth2
nexthop via 3.0.0.1 dev eth3
⑤ 线路检测
系统已经可以自动检测失效路由并自动调整路由表，但当线路恢复正常时还无法自动起用该线路，因此需要定期对所有外网线路进行检测，我们可以使用以下脚本发送ICMP包检测线路并且使用 cron定时(每分钟)执行。
#!/bin/sh
ping -c 1 1.0.0.1
ping -c 1 3.0.0.1
路由性能监测
使用MRTG工具监测路由器带宽可以直观地看出网络高峰时的使用情况,如图2,在没有实现复用前,单个DSL线路(DSL线路1,带宽2M)是十分拥塞的:
图2
经过复用后,该线路(DSL线路1,带宽2M)的流量由三条宽带线路分担,明显缓解了带宽的压力（如图3）：
图3
由于MRTG只能监控三条独立的线路,监测结果不是很直观,因此我们用PERL编写了一个MRTG扩展程序(virtual_line.pl),使之能够将三条2M线路逻辑累加为一条6M的虚拟线路,便于管理员的监测。
基于NAT的流量监控事实上是对Iptables的FORWARD链进行计量，因此我们可以对每一条宽带线路进行监控，在Iptables中为每一条线路添加流入和流出计量（如对数字电路1）：
#iptables -N FORW-IN1
#iptables -N FORW-OUT1
#iptables -A FORWARD -i eth3 -j FORW-IN1
#iptables -A FORWARD -o eth3 -j FORW-OUT1
然后在MRTG中定时运行我们的virtual_line.pl,即可对三条线路逻辑累加虚拟线路进行监控。virtual_line.pl的源代码如下：
#!/usr/bin/perl
#==========初始化设置============
$iptables =“/sbin/iptables”;
$uptime =“/usr/bin/uptime”;
$host =“server.gic.ac.cn”;
#对三条线路进行流入和流出流量统计
@chain_in=(“FORW-IN1”,“FORW-IN2”,“FORW-IN3”);
foreach (@chain_in) {
$_=‘$iptables -nvxL | grep $_ | grep -v Chain’;
s/^s+d+s+(d+).*$/$1 /s;
$in=$in+$_;
}
print“$in ”;
@chain_out=(“FORW-OUT1”,“FORW-OUT2”,“FORW-OUT3”);
foreach (@chain_out) {
$_=‘$iptables -nvxL | grep $_ | grep -v Chain’;
s/^s+d+s+(d+).*$/$1 /s;
$out=$out+$_;
}
print“$out ”;
#显示系统时间与主机名
($uptime = ‘$uptime’) =~ s/^.*up (.*,[d: ]+),.*$/$1/s;
print “$uptime$host ”;
#============ end ==============
由虚拟线路的监测图可以看出,网络总体对带宽的最大需求为3M,我们的总带宽有6M，所以该复用线路完全可以满足要求。
图4
方案讨论
通过以上讨论，最终切实可行的宽带复用方案如下：
1．首先对Linux内核升级，使内核能够对STATIC路由表进行管理；
2．设置NAT和加载必要的模块；
3．提高主路由表的优先级，并建立外网接入路由表；
4．建立等值路由表；
5．设置定时检测线路；
6．使用MRTG对线路进行监测。
由于复用技术基于IP随机分配算法，在一个缓存期内，对任何内网的访问需求，内核根据其目的IP地址随机分配一个外网IP，因此对某些网站的高强度访问会带来线路的部分不均衡，实际的使用过程中，不平衡值会高达15%以上。我们可以通过设置透明代理，使用SQUID代理服务器来平衡线路负载，可使多条线路的流量更加均衡。
理论上，可复用无限多条宽带线路，上限仅与Linux主机的PCI插槽数量有关。
由于Linux系统良好的稳定性和路由功能的日益完善,并且随着计算机硬件的价格下降,基于Linux系统的路由应用越来越广泛。在中国科技网广州节点,近十台Linux路由器与其他Cisco路由器一起,承担着繁重的路由交换和高层网关工作，几年的良好运行，证明了Linux系统良好的稳定性和出色的网络性能。
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