CN103973598A - 实现网关QoS保障的动态带宽调整系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现网关QoS保障的动态带宽调整系统及方法，涉及QoS技术领域，该系统包括CPU、包过滤系统内核空间组件netfilter、包过滤系统用户空间组件iptables、网关LAN侧接入设备和ARP模块，CPU中设置有限速接口，CPU、包过滤系统用户空间组件iptables、网关LAN侧接入设备均与包过滤系统内核空间组件netfilter相连，网关LAN侧接入设备还与ARP模块相连。本发明能够实现动态带宽调整，使设备最大限度地使用带宽，有效提高网关QoS模式下网络资源的利用率。

Description

实现网关QoS保障的动态带宽调整系统及方法

技术领域

本发明涉及QoS（Quality of Service，服务质量）技术领域，具体是涉及一种实现网关QoS保障的动态带宽调整系统及方法。

背景技术

QoS是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。其中，带宽限速是QoS技术中的一方面。在网络拥堵的情况下，一旦有设备占用大量的带宽，则会导致其他设备无法正常使用带宽。QoS带宽限速即解决此问提：占用大量带宽资源的设备，设定其可使用的最大带宽量，从而在总带宽大小一定的情况下，可以保证其他设备都可以正常的使用带宽资源。设置各个设备可使用的带宽大小的上限值，不仅保证所有设备都可享用一定的带宽，而且也保证不会对其他设备的带宽使用造成影响。但是，一旦有设备关机或者不再占用带宽的情况下，这一部分空闲出来的带宽，是无法被其他设备所利用，造成网络资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种实现网关QoS保障的动态带宽调整系统及方法，能够实现动态带宽调整，使设备最大限度地使用带宽，有效提高网关QoS模式下网络资源的利用率。

本发明提供一种实现网关QoS保障的动态带宽调整系统，包括CPU、包过滤系统内核空间组件netfilter、包过滤系统用户空间组件iptables、网关LAN侧接入设备和ARP模块，CPU中设置有限速接口，CPU、包过滤系统用户空间组件iptables、网关LAN侧接入设备均与包过滤系统内核空间组件netfilter相连，网关LAN侧接入设备还与ARP模块相连，其中：

CPU，用于：实现数据流至硬件队列的映射关系，并调用限速接口驱动；

限速接口，用于：供给CPU进行调用，使数据流队列的速度达到设置值；

包过滤系统内核空间组件netfilter，用于：依据用户空间的调度需求，对硬件调度模型进行设置；

包过滤系统用户空间组件iptables，用于：根据网关LAN侧接入设备的IP地址，对其数据流打上相应的标记；

网关LAN侧接入设备，用于：用户把上网的设备接入网关的LAN侧接口进行上网；

ARP模块，用于：探测当前网关LAN侧接入设备的在线数。

在上述技术方案的基础上，所述网关LAN侧接入设备为具有IP地址的终端设备。

在上述技术方案的基础上，所述网关LAN侧接入设备包括手机、PC。

本发明还提供一种基于上述系统的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，包括以下步骤：

S1、启用QoS功能，基于网关LAN侧接入设备的IP地址，配置QoS带宽限速功能，网关LAN侧接入设备发出数据流；

S2、开启动态带宽调整开关，调用ARP模块，ARP模块首先利用套接字构造ARP请求报文，然后等待接收ARP响应消息，若得到ARP应答，则表明此接入设备在线，设备在线用户数加1；否则，表明接入设备离线，ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线，直到将所有设备探测完毕，统计当前设备在线数；

S3、如果ARP模块探测得到响应，则设备在线，设备在线数加1，直到探测完所有设备，计算当前设备在线数；

S4、每次探测时都记录当前设备在线，若当前探测的设备在线数和上一次探测设备在线数一致，则判定网关LAN侧接入设备的在线状态无变化；若不一致，则判定网关LAN侧接入设备的在线状态有变化；判断网关LAN侧接入设备的在线状态是否有变化，如果无变化，则转到步骤S9；如果有变化，则转到步骤S5；

S5、包过滤系统用户空间组件下发iptables规则，网关LAN侧接入设备发出的数据流经过包过滤系统时，对其打上相应的标记，转到步骤S6；打标记是根据队列编号，生成基于网关LAN侧接入设备IP地址的标记值的iptables规则语句，通过下发iptables规则，将不同的接入设备的数据流标记不同值，从而区分不同的接入设备，网关LAN侧接入设备的数据流的标记值和队列编号具有相互映射的关系；

S6、根据网关LAN侧接入设备的数据流的标记值和队列编号的相互映射关系，CPU对携带标记值的数据流进行处理，依据标记值将数据流映射到相应的队列中，实现数据流至硬件队列的映射关系，转到步骤S7；

S7、根据当前设备在线数和上行总带宽大小，计算出每台在线接入设备可使用的平均带宽，更新限速值，转到步骤S8；

S8、CPU调用限速接口驱动，限速接口采用令牌桶策略对发送队列的数据流进行限速，使网关LAN侧各个接入设备的速率为带宽限速配置的速率值，转到步骤S9；

S9、设置定时器，ARP模块定时每3分钟探测一次，判断是否到达定时时间3分钟，若定时时间3分钟到达，则返回步骤S2，ARP模块继续进行探测；否则，继续执行步骤S9。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中所述ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线的流程如下：

S201、通过套接字构造ARP报文；构造的ARP报文是根据ARP请求消息的报文格式，填充报文每个字节的内容，建立的套接字只接受发往本机MAC的ARP类型的数据帧；在构造ARP报文时，报文的以太网目的地址填充的是MAC的广播地址；

S202、经套接字传送数据，将构造的ARP报文广播出去；

S203、判断等待接收响应报文的时间是否超时，如果超时，则转到步骤S204；否则，转到步骤S205；

S204、等待超时，没有收到ARP响应报文，说明设备不在线；

S205、经套接字接收数据，接收设备响应消息，转到步骤S206；

S206、分析响应报文内容，判断是否为ARP响应报文，若果是，则转到步骤S207；否则，返回步骤S203；

S207、收到了ARP的响应报文，退出等待循环，说明设备在线。

在上述技术方案的基础上，步骤S206中所述分析响应报文的三个条件为：报文的操作字段为2；目的MAC地址为发送ARP报文的源地址；源IP与发送报文的目的IP一致；三个条件同时满足，则说明收到了ARP响应报文，设备在线。

在上述技术方案的基础上，所述网关LAN侧接入设备为具有IP地址的终端设备。

在上述技术方案的基础上，所述网关LAN侧接入设备包括手机、PC。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明基于软硬件结合开发方案实现动态带宽调整的功能，利用包过滤系统，根据网关LAN（Local Area Network，局域网）侧接入设备的地址，实现数据流至硬件队列的映射关系，对硬件调度模型进行设置，并通过ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）协议来探测当前网关LAN侧接入设备的在线数，根据上行总带宽大小，调用限速接口动态调整网关LAN侧接入设备限制速率。在网络拥堵的情况下，开启QoS限速功能，通过分析当前是否有空闲的带宽未被使用，将这些未被使用的带宽分配到在线的设备上，能够实现动态带宽调整，使设备最大限度地使用带宽，有效提高网关QoS模式下网络资源的利用率。

附图说明

图1是本发明实施例的应用场景示意图。

图2是本发明实施例中网关QoS保障的动态带宽调整系统的结构框图。

图3是本发明实施例中实现网关QoS保障的动态带宽调整方法的流程图。

图4是本发明实施例中ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例的主要应用场景为：PC、手机、IAD（Integrated Access Device，综合接入设备）等终端可以通过以太网、无线局域网等多种接口与网关互联，网关可以通过多种接入技术接入到电信骨干网络，例如：GPON（Gigabit-Capable PassiveOptical Network，吉比特无源光网络）、以太网、WiFi（WirelessFidelity，无线相容性认证）等。当网络拥塞时，开启网关QoS功能。

参见图2所示，本发明实施例提供一种实现网关QoS保障的动态带宽调整系统，包括CPU、包过滤系统内核空间组件（netfilter）、包过滤系统用户空间组件（iptables）、网关LAN侧接入设备和ARP模块，CPU中设置有限速接口，CPU、包过滤系统用户空间组件（iptables）、网关LAN侧接入设备均与包过滤系统内核空间组件（netfilter）相连，网关LAN侧接入设备还与ARP模块相连，网关LAN侧接入设备可以是手机、PC等具有IP地址的终端设备，其中：

CPU，用于：实现数据流至硬件队列的映射关系，并调用限速接口驱动；

限速接口，用于：供给CPU进行调用，使数据流队列的速度达到设置值；

包过滤系统内核空间组件（netfilter），用于：依据用户空间的调度需求，对硬件调度模型进行设置；

包过滤系统用户空间组件（iptables），用于：根据网关LAN侧接入设备的IP地址，对其数据流打上相应的标记；

网关LAN侧接入设备，用于：用户把上网的设备接入网关的LAN侧接口进行上网；

ARP模块，用于：探测当前网关LAN侧接入设备的在线数。

参见图3所示，本发明实施例提供一种基于上述系统的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，包括以下步骤：

S1、启用QoS功能，基于网关LAN侧接入设备的IP地址，配置QoS带宽限速功能，网关LAN侧接入设备发出数据流；网关LAN侧接入设备可以是手机、PC等具有IP地址的终端设备；

S2、开启动态带宽调整开关，调用ARP模块，ARP模块首先利用socket（套接字）构造ARP请求报文，然后等待接收ARP响应消息，若得到ARP应答，则表明此接入设备在线，设备在线用户数加1；否则，表明接入设备离线，ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线，直到将所有设备探测完毕，统计当前设备在线数；

S3、如果ARP模块探测得到响应，则设备在线，设备在线数加1，直到探测完所有设备，计算当前设备在线数；

S4、每次探测时都记录当前设备在线，若当前探测的设备在线数和上一次探测设备在线数一致，则判定网关LAN侧接入设备的在线状态无变化；若不一致，则判定网关LAN侧接入设备的在线状态有变化；判断网关LAN侧接入设备的在线状态是否有变化，如果无变化，则转到步骤S9；如果有变化，则转到步骤S5；

S5、包过滤系统用户空间组件下发iptables规则，网关LAN侧接入设备发出的数据流经过包过滤系统时，对其打上相应的标记，转到步骤S6；打标记是根据队列编号，生成基于网关LAN侧接入设备IP地址的标记值的iptables规则语句，通过下发iptables规则，将不同的接入设备的数据流标记不同值，从而区分不同的接入设备，网关LAN侧接入设备的数据流的标记值和队列编号具有相互映射的关系；

S6、根据网关LAN侧接入设备的数据流的标记值和队列编号的相互映射关系，CPU对携带标记值的数据流进行处理，依据标记值将数据流映射到相应的队列中，实现数据流至硬件队列的映射关系，转到步骤S7；

S7、根据当前设备在线数和上行总带宽大小，计算出每台在线接入设备可使用的平均带宽，更新限速值，转到步骤S8；

S8、CPU调用限速接口驱动，限速接口采用令牌桶策略对发送队列的数据流进行限速，使网关LAN侧各个接入设备的速率为带宽限速配置的速率值，转到步骤S9；

S9、设置定时器，ARP模块定时每3分钟探测一次，判断是否到达定时时间3分钟，若定时时间3分钟到达，则返回步骤S2，ARP模块继续进行探测；否则，继续执行步骤S9。

参见图4所示，步骤S2中ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线的流程如下：

S201、通过socket构造ARP报文；构造的ARP报文是根据ARP请求消息的报文格式，填充报文每个字节的内容，建立的socket只接受发往本机MAC的ARP类型的数据帧；在构造ARP报文时，报文的以太网目的地址填充的是MAC的广播地址；

S202、经socket传送数据，将构造的ARP报文广播出去；

S203、判断等待接收响应报文的时间是否超时，如果超时，则转到步骤S204；否则，转到步骤S205；

S204、等待超时，没有收到ARP响应报文，说明设备不在线；

S205、经socket接收数据，接收设备响应消息，转到步骤S206；

S206、分析响应报文内容，判断是否为ARP响应报文，若果是，则转到步骤S207；否则，返回步骤S203；

分析响应报文的三个条件为：报文的操作字段为2；目的MAC地址为发送ARP报文的源地址；源IP与发送报文的目的IP一致；三个条件同时满足，则说明收到了ARP响应报文，设备在线；

S207、收到了ARP的响应报文，退出等待循环，说明设备在线。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种实现网关QoS保障的动态带宽调整系统，其特征在于：包括CPU、包过滤系统内核空间组件netfilter、包过滤系统用户空间组件iptables、网关LAN侧接入设备和ARP模块，CPU中设置有限速接口，CPU、包过滤系统用户空间组件iptables、网关LAN侧接入设备均与包过滤系统内核空间组件netfilter相连，网关LAN侧接入设备还与ARP模块相连，其中：

CPU，用于：实现数据流至硬件队列的映射关系，并调用限速接口驱动；

限速接口，用于：供给CPU进行调用，使数据流队列的速度达到设置值；

包过滤系统内核空间组件netfilter，用于：依据用户空间的调度需求，对硬件调度模型进行设置；

包过滤系统用户空间组件iptables，用于：根据网关LAN侧接入设备的IP地址，对其数据流打上相应的标记；

网关LAN侧接入设备，用于：用户把上网的设备接入网关的LAN侧接口进行上网；

ARP模块，用于：探测当前网关LAN侧接入设备的在线数。

2.如权利要求1所述的实现网关QoS保障的动态带宽调整系统，其特征在于：所述网关LAN侧接入设备为具有IP地址的终端设备。

3.如权利要求2所述的实现网关QoS保障的动态带宽调整系统，其特征在于：所述网关LAN侧接入设备包括手机、PC。

4.基于权利要求1至3中任一项所述系统的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、启用QoS功能，基于网关LAN侧接入设备的IP地址，配置QoS带宽限速功能，网关LAN侧接入设备发出数据流；

S2、开启动态带宽调整开关，调用ARP模块，ARP模块首先利用套接字构造ARP请求报文，然后等待接收ARP响应消息，若得到ARP应答，则表明此接入设备在线，设备在线用户数加1；否则，表明接入设备离线，ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线，直到将所有设备探测完毕，统计当前设备在线数；

S3、如果ARP模块探测得到响应，则设备在线，设备在线数加1，直到探测完所有设备，计算当前设备在线数；

S4、每次探测时都记录当前设备在线，若当前探测的设备在线数和上一次探测设备在线数一致，则判定网关LAN侧接入设备的在线状态无变化；若不一致，则判定网关LAN侧接入设备的在线状态有变化；判断网关LAN侧接入设备的在线状态是否有变化，如果无变化，则转到步骤S9；如果有变化，则转到步骤S5；

S5、包过滤系统用户空间组件下发iptables规则，网关LAN侧接入设备发出的数据流经过包过滤系统时，对其打上相应的标记，转到步骤S6；打标记是根据队列编号，生成基于网关LAN侧接入设备IP地址的标记值的iptables规则语句，通过下发iptables规则，将不同的接入设备的数据流标记不同值，从而区分不同的接入设备，网关LAN侧接入设备的数据流的标记值和队列编号具有相互映射的关系；

S6、根据网关LAN侧接入设备的数据流的标记值和队列编号的相互映射关系，CPU对携带标记值的数据流进行处理，依据标记值将数据流映射到相应的队列中，实现数据流至硬件队列的映射关系，转到步骤S7；

S7、根据当前设备在线数和上行总带宽大小，计算出每台在线接入设备可使用的平均带宽，更新限速值，转到步骤S8；

S8、CPU调用限速接口驱动，限速接口采用令牌桶策略对发送队列的数据流进行限速，使网关LAN侧各个接入设备的速率为带宽限速配置的速率值，转到步骤S9；

S9、设置定时器，ARP模块定时每3分钟探测一次，判断是否到达定时时间3分钟，若定时时间3分钟到达，则返回步骤S2，ARP模块继续进行探测；否则，继续执行步骤S9。

5.如权利要求4所述的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，其特征在于：步骤S2中所述ARP模块循环探测网关LAN侧接入设备是否在线的流程如下：

S201、通过套接字构造ARP报文；构造的ARP报文是根据ARP请求消息的报文格式，填充报文每个字节的内容，建立的套接字只接受发往本机MAC的ARP类型的数据帧；在构造ARP报文时，报文的以太网目的地址填充的是MAC的广播地址；

S202、经套接字传送数据，将构造的ARP报文广播出去；

S203、判断等待接收响应报文的时间是否超时，如果超时，则转到步骤S204；否则，转到步骤S205；

S204、等待超时，没有收到ARP响应报文，说明设备不在线；

S205、经套接字接收数据，接收设备响应消息，转到步骤S206；

S206、分析响应报文内容，判断是否为ARP响应报文，若果是，则转到步骤S207；否则，返回步骤S203；

S207、收到了ARP的响应报文，退出等待循环，说明设备在线。

6.如权利要求5所述的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，其特征在于：步骤S206中所述分析响应报文的三个条件为：报文的操作字段为2；目的MAC地址为发送ARP报文的源地址；源IP与发送报文的目的IP一致；三个条件同时满足，则说明收到了ARP响应报文，设备在线。

7.如权利要求4至6中任一项所述的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，其特征在于：所述网关LAN侧接入设备为具有IP地址的终端设备。

8.如权利要求7所述的实现网关QoS保障的动态带宽调整方法，其特征在于：所述网关LAN侧接入设备包括手机、PC。