CN112714075A - 一种桥转发数据包限速的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种桥转发数据包限速的方法,包括以下步骤:S1、在每条中创建缓存队列,用于缓存数据包;S2、使用令牌桶算法结合缓存队列进行限速。本发明的有益效果是:运用本发明编写的内核模块占用内存小,内存较紧张的网络通信设备均可加载,可移植性高。

Description

一种桥转发数据包限速的方法
技术领域
本发明涉及无线通信,尤其涉及一种桥转发数据包限速的方法。
背景技术
对于任意一款网络设备,接入带宽是总是有限的。当带宽使用率很高时,我们总是希望一些重要的业务不受影响。对于如AP(无线接入点)这类网络设备上,数据是通过桥转发的方式来完成上网的。通常这类设备会提供多个ssid(服务集标识符)以供客户端来上网。假设某个网络设备总共有4个ssid,一些重要的业务是通过第一个ssid和第二个ssid来交互的,此时可以对第三个和第四个ssid进行限速,让连接在这些ssid下的客户端获取更少的带宽,以此重要业务的正常运转。
在linux系统下,只需进行简单的适配即可加载使用:
(1)驱动(以太网和无线驱动)收包的地方获取数据包,以创建桥转发数据包的流信息;
(2)使用的算法为:令牌桶+队列的方式;
(3)从协议栈发包函数dev_queue_xmit处获取数据包进行限速处理。
仍然存在的问题有:
(1)由于此模块设计的数据包结构较为复杂,当使用该模块占用内存较多。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种桥转发数据包限速的方法。
本发明提供了一种桥转发数据包限速的方法,包括以下步骤:
S1、在每条中创建缓存队列,用于缓存数据包;
S2、使用令牌桶算法结合缓存队列进行限速。
作为本发明的进一步改进,步骤S1包括:在以太网驱动收包和无线驱动收包的位置挂载hook点获取数据包,提取数据包中的五元组信息,在已创建的中查找,如果找到,则在数据包skb中打上这条的标记,如果没有,则基于数据包的五元组创建一条新的,并在数据包skb上打上流标记。
作为本发明的进一步改进,在步骤S1中,的信息包含:源ip,目的ip,源端口,目的端口,tcp/udp协议。
作为本发明的进一步改进,在步骤S1中,在数据包skb上打上流标记为:把保存的数据结构的地址赋值到skb的对应字段中。
作为本发明的进一步改进,步骤S2包括以下子步骤:
S201、桥转发数据包调用协议栈发包函数,把数据包发送到驱动,限速模块获取数据包的hook点挂载在发包函数处;
S202、从发包函数处获取到数据包后,首先判断数据包是否对流有做过引用,即是否有流标记,如果没有对流的引用,则不做限速处理,把数据包放回发包函数处继续传输;
S203、匹配限速规则,根据客户端连接到某一设备上来匹配限速规则,限速规则只匹配一次,匹配成功后保存下来,后面的数据包只需要直接引用即可,匹配成功的规则称为令牌桶;
S204、查看限速规则中令牌的剩余情况,如果数据包的长度小于令牌桶桶中剩余的令牌数,则消耗令牌桶桶中对应数据包长度的令牌数,调用发包函数,发送数据包,如果数据包的长度大于桶中剩余的令牌数,则通过尝试补充令牌,补充完成后,如果数据包的长度小于令牌桶中的令牌数,则消耗令牌桶中的令牌调用发包函数发送数据包,对于补充完令牌还不能发送的数据包,把数据包添加到流中的缓存队列中,等待定时器补充令牌后发送。
作为本发明的进一步改进,在步骤S204中,令牌的补充速度为令牌数/jiffies,jiffies是通过配置限速带宽时计算出来的全局变量,Linux内核使用全局变量jiffies记录系统自从启动以来的滴答数,通过计算上次补充令牌时刻jiffies_before和当前时刻jiffies_now的时间间隔,再乘以令牌补充速率。
作为本发明的进一步改进,在步骤S204中,定时轮询补充令牌,发送缓存队列中的数据包。
作为本发明的进一步改进,在步骤S204中,对于缓存队列中的数据包,如果要发送出去也需要消耗与数据包长度对等的令牌数才能发送出去,当内核模块启动时,启动一个定时器,这个定时器用于向所有限速规则中补充令牌,定时器每一次触发超时函数,在超时函数做如下处理:
(1)遍历没有令牌而不能发送数据包的限速规则,为当前允许补充令牌的规则补充相应的令牌;
(2)查看缓存队列,如果有数据包缓存,则进行令牌消耗处理,调用发包函数发送数据包,对于当前时间段内不能发送的数据包继续进行缓存等待下一次发送。
作为本发明的进一步改进,在发包函数把数据包获取到限速模块中,处理完成后,在数据包上打上标记,打上标记的数据包,不会再次被限速模块处理。
作为本发明的进一步改进,所述方法通过应用层配置限速规则并配置开关,通过内核模块进行限速、流的创造和数据包的缓存,内核模块包括进行缓存数据包的缓存模块和进行限速的限速模块。
本发明的有益效果是:运用本发明编写的内核模块占用内存小,内存较紧张的网络通信设备均可加载,可移植性高。
附图说明
图1是本发明一种桥转发数据包限速的方法的整体框架示意图。
图2是本发明一种桥转发数据包限速的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示,一种桥转发数据包限速的方法,提出了一种基于令牌桶算法的桥转发数据包限速方案,该发明适用于所有支持桥转发的设备进行限速。分为内核和应用层两部分,使用时以内核模块的形式出现,命名为nos.ko;应用层编译为库文件的形式,用于配置限速规则和开关功能。整体框架如图1所示。
限速规则的内容包括,设备名和上下行带宽,设备名如无线设备名(wlan0)。限速带宽配置到内核后,会被计算为令牌/jiffies进行保存,一个jiffies的时长等于1/HZs,HZ的大小在不同的内核版本是不同的。
Linux内核使用全局变量jiffies记录系统自从启动以来的滴答数。
假设配置的上行带宽为1Mbps,HZ=100,则有1Mbps=1*1000*1024bps=1024000bps=128000Bps,128000/HZ=128000/100=1280,所以经过换算后,每个jiffies的令牌数大小为1280个,所以对于配置的1Mbps的带宽,在内核保存的限速规则的大小为1280个令牌/jiffies。一个令牌等于一个Byte。
内核的实现涉及两个部分。第一部分,为了方便数据包的缓存和分发,提出了桥转发数据流的概念(类似于连接跟踪),在每条流中创建缓存队列,用于缓存数据包;第二部分,基于第一部分的成果,使用令牌桶算法结合缓存队列实现限速。
第一部分,流的创建过程及其与数据包的关系。流程图如图2的左半部分。
1.流的信息包含,源ip,目的ip,源端口,目的端口,协议(tcp/udp)。
2.在以太网驱动收包和无线驱动收包的位置挂载hook点获取数据包,提取数据包中的五元组信息,在已创建的流中查找,如果找到在数据包skb中打上这条流的标记(把保存这条流的数据结构的地址赋值到skb的对应字段中),如果没有创建流,则基于数据包的五元组创建一条新的流,并在数据包skb上打上流标记(把保存这条流的数据结构的地址赋值到skb的对应字段中),这些流信息通过hash表的方式组织起来;
SKB(socket buffer)是Linux网络代码中最根本的数据结构,收发数据包都是通过skb。
3.数据包skb与流的关系,如果要进行限速,则skb中必须携带流的信息,否则无法完成数据包的缓存,对于为携带流信息的skb则不进行限速处理。
4.对于hook点的挂载,由于各厂家的驱动代码实现不同,需要准确找到收包的位置,把hook点挂载上去。
第二部分,数据包的限速处理,流程图如图2的右半部分。
5.桥转发数据包经过一些如合法性判断的处理,最后调用协议栈发包函数dev_queue_xmit,把数据包发送到驱动,限速模块获取数据包的hook点挂载在dev_queue_xmit处。
6.获取到数据包后,首先判断数据包是否对流有做过引用(流创建中skb的流的数据结构的地址的保存),如果没有对流的引用,则不做限速处理,把包放回dev_queue_xmit继续传输。设计中,为了方便处理,数据包的缓存队列是跟流相关的,即没一条流中都有一个数据包的缓存队列,如果数据包没有引用流,则无法完成对数据包的缓存。
7.匹配限速规则,这里根据客户端连接到哪个设备(dev)上来匹配限速规则,假设用户是通过wlan0接口接入网络设备的,则查找匹配限速规则中关于wlan0的规则。限速规则只会匹配一次,匹配成功后会保存下来,后面的数据包只需要直接引用即可。匹配成功的规则称为令牌桶。
8.查看规则中令牌的剩余情况。如果数据包的长度(字节数)小于桶中剩余的令牌数,则消耗桶中对应数据包长度的令牌数,调用dev_queue_xmit函数,发送数据包。如果数据包的长度大于桶中剩余的令牌数,则通过尝试补充令牌,令牌的补充速度为令牌数/jiffies,这个值是通过配置限速带宽时计算出来的,通过计算上次补充令牌时刻jiffies_before和当前时刻jiffies_now的时间间隔,在乘以令牌补充速率。补充完成后,如果数据包的长度小于桶中的令牌数,则消耗桶中的令牌调用dev_queue_xmit发送数据包。对于补充完令牌还不能发送的数据包,把数据包添加到流中的缓存队列中。
9.对于缓存队列中的数据包,如果要发送出去也是需要消耗与数据包长度对等的令牌数才能发送出去。nos.ko模块启动时,会启动一个定时器,这个定时用于向所有限速规则中补充令牌,补充令牌的速度为令牌数/jiffies(配置限速规则时计算出的速率)。定时器每一次触发超时函数,在超时函数做如下处理:
(1)遍历没有令牌而不能发送数据包的限速规则,为当前允许补充令牌的规则补充相应的令牌;
(2)查看缓存队列,如果有数据包缓存,则进行令牌消耗处理,调用dev_queue_xmit发送数据包,对于当前时间段内不能发送的数据包继续进行缓存等待下一次发送。
10.在dev_queue_xmit函数把数据包获取到限速模块中,处理完成后,会在数据包上打上标记,打上标记的数据包,不会再次被限速模块处理。
内核模块经过以上10步的处理,完成了桥转发数据包限速的功能。
运用本发明编写的内核模块占用内存小,内存较紧张的网络通信设备均可加载,可移植性高。并且只需在dev_queue_xmit函数和驱动收包处挂hook点取数据包,容易移植,使用方便。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种桥转发数据包限速的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在每条中创建缓存队列,用于缓存数据包;
S2、使用令牌桶算法结合缓存队列进行限速。
2.根据权利要求1所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:步骤S1包括:在以太网驱动收包和无线驱动收包的位置挂载hook点获取数据包,提取数据包中的五元组信息,在已创建的中查找,如果找到,则在数据包skb中打上这条的标记,如果没有,则基于数据包的五元组创建一条新的,并在数据包skb上打上流标记。
3.根据权利要求2所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:在步骤S1中,的信息包含:源ip,目的ip,源端口,目的端口,tcp/udp协议。
4.根据权利要求2所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:在步骤S1中,在数据包skb上打上流标记为:把保存的数据结构的地址赋值到skb的对应字段中。
5.根据权利要求2所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于,步骤S2包括以下子步骤:
S201、桥转发数据包调用协议栈发包函数,把数据包发送到驱动,限速模块获取数据包的hook点挂载在发包函数处;
S202、从发包函数处获取到数据包后,首先判断数据包是否对流有做过引用,即是否有流标记,如果没有对流的引用,则不做限速处理,把数据包放回发包函数处继续传输;
S203、匹配限速规则,根据客户端连接到某一设备上来匹配限速规则,限速规则只匹配一次,匹配成功后保存下来,后面的数据包只需要直接引用即可,匹配成功的规则称为令牌桶;
S204、查看限速规则中令牌的剩余情况,如果数据包的长度小于令牌桶桶中剩余的令牌数,则消耗令牌桶桶中对应数据包长度的令牌数,调用发包函数,发送数据包,如果数据包的长度大于桶中剩余的令牌数,则通过尝试补充令牌,补充完成后,如果数据包的长度小于令牌桶中的令牌数,则消耗令牌桶中的令牌调用发包函数发送数据包,对于补充完令牌还不能发送的数据包,把数据包添加到流中的缓存队列中,等待定时器补充令牌后发送。
6.根据权利要求5所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:在步骤S204中,令牌的补充速度为令牌数/jiffies,jiffies是通过配置限速带宽时计算出来的全局变量,Linux内核使用全局变量jiffies记录系统自从启动以来的滴答数,通过计算上次补充令牌时刻jiffies_before和当前时刻jiffies_now的时间间隔,再乘以令牌补充速率。
7.根据权利要求5所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:在步骤S204中,定时轮询补充令牌,发送缓存队列中的数据包。
8.根据权利要求5所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:在步骤S204中,对于缓存队列中的数据包,如果要发送出去也需要消耗与数据包长度对等的令牌数才能发送出去,当内核模块启动时,启动一个定时器,这个定时器用于向所有限速规则中补充令牌,定时器每一次触发超时函数,在超时函数做如下处理:
(1)遍历没有令牌而不能发送数据包的限速规则,为当前允许补充令牌的规则补充相应的令牌;
(2)查看缓存队列,如果有数据包缓存,则进行令牌消耗处理,调用发包函数发送数据包,对于当前时间段内不能发送的数据包继续进行缓存等待下一次发送。
9.根据权利要求5所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:在发包函数把数据包获取到限速模块中,处理完成后,在数据包上打上标记,打上标记的数据包,不会再次被限速模块处理。
10.根据权利要求1所述的桥转发数据包限速的方法,其特征在于:所述方法通过应用层配置限速规则并配置开关,通过内核模块进行限速、流的创造和数据包的缓存,内核模块包括进行缓存数据包的缓存模块和进行限速的限速模块。
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