網絡流量監(jiān)管CAR技術研究

李博倫，王海棟，錢高冉，唐　翔，高秀敏

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江　杭州　310018）

網絡流量監(jiān)管CAR技術研究

李博倫，王海棟，錢高冉，唐翔，高秀敏

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江杭州310018）

網絡流量監(jiān)管技術中，網絡流量監(jiān)管/承諾信息速率（Committed Access Rate，CAR）技術被普遍應用。目前有3種類型的CAR：全局CAR、流行為CAR、接口CAR。CAR的作用是對流量設備進行監(jiān)管，一旦進入設備的流量超出閾值，就對其進行必要的動作，來保證網絡資源的正常處理。在如今的通信領域CAR技術作用很大。令牌桶算法是設備上實現(xiàn)CAR技術的基礎。文章著重研究單速率三色算法和雙速率三色算法，根據(jù)這兩種方法各自的優(yōu)點，結合兩種方法的實現(xiàn)給出了新的實現(xiàn)方式。

CAR技術；令牌桶算法；流量監(jiān)控技術

如今互聯(lián)網飛速發(fā)展，越來越多的事務需要互聯(lián)網來配合完成，各種各樣的用戶都需要將自己的終端或者局域網接入互聯(lián)網進行各種應用。

隨著用戶需求的不斷提高，用戶逐漸側注重于網絡的穩(wěn)定性和傳輸有效性。簡單的在網絡上傳送報文信息已經不能滿足用戶的需求。用戶更希望網絡有更好的服務能力。

作為流量監(jiān)管技術中比較優(yōu)秀且被普遍使用的技術，網絡流量監(jiān)管/承諾信息速率（Committed Access Rate，CAR）有著自己的處理流程。流入設備的流量首先被CAR進行實時監(jiān)視，這些被監(jiān)視的流量將去匹配先前配置好的匹配規(guī)則，并且由不同的規(guī)則將流進行分類，對于那些不能匹配上任何一條規(guī)則的報文直接發(fā)送，不做任何處理，對于那些根據(jù)規(guī)則分為不同類的流量，將被放入令牌桶進行處理。在保持網絡資源的穩(wěn)定性方面CAR技術起到了很大的作用。

1　CAR的類型

由于應用場景的不同，CAR不止一類，本文將CAR分為3類：全局CAR，流行CAR和接口CAR。

1.1全局CAR

全局指的是應用范圍，在全局應用的CAR能被設備上的所有的接口引用，從而對進出設備的流量進行管控。全局CAR又根據(jù)功能不同分為兩種：分層CAR、聚合 CAR。

（1）聚合CAR。可以對某個業(yè)務或某個業(yè)務組（由一些單個業(yè)務組成）單獨應用的CAR技術。應用了聚合CAR技術后，這個業(yè)務的流量（或者業(yè)務組中各個業(yè)務的總流量）將被限制在該聚合CAR規(guī)定的流量范圍之內。

（2）分層CAR。可以對多個數(shù)據(jù)流的總和應用分層CAR。分層CAR的配置并不影響聚合CAR的配置，對每個單獨流量配置聚合CAR后，可以在對多個流的總和配置分層CAR，從而對流量總和進行節(jié)制。

分層CAR與聚合CAR可以單獨使用，在實際應用中也可以將兩者結合起來使用，一般有兩種模式如下：

（1）“或”模式：在這種模式下，對于多條數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流正常通過的前提是單條流符合聚合CAR的限制或者多條流的總和符合分層CAR的限制。

（2）“與”模式：在這種模式下，對于多條數(shù)據(jù)流，必須保證各個數(shù)據(jù)流滿足對應的聚合CAR并且多條數(shù)據(jù)流總和滿足分層數(shù)據(jù)流才能正常通過。

1.2流行為CAR

對特定的流量應用的CAR技術叫作流行為CAR，此種CAR技術的實現(xiàn)需要涉及服務質量（Quality of Service，QoS）策略。下面將介紹QoS策略的3要素。

（1）類：使用者可以通過命令定義一系列的規(guī)則來對報文進行分類，從而將監(jiān)控到的流量歸為不同的類型，并且每個類型都有對應的類名做標示，規(guī)則可以由使用者來定。

（2）流行為：流行為的核心就是要對指定的報文或流量采取的動作。一個標準的流行為由名稱和具體的處理動作組成，這里的處理動作包括丟棄、轉發(fā)等，可以由多個組成。

（3）策略：策略的作用是為分類后報文的類指定流行為，就是報文分類的規(guī)則和流行為的集合，執(zhí)行策略的過程就是對指定報文采取措施的過程。

1.3接口CAR

在設備的接口下應用的CAR統(tǒng)稱為接口CAR。實際應用全局CAR，流行為CAR時都是依賴于接口的。

2　CAR的相關技術研究

2.1令牌桶算法

令牌桶是網絡中虛擬的流量存儲池，令牌則是以一定速率填充虛擬流量存儲池的虛擬信息包。令牌桶算法有兩種不同的算法：單速率三色、雙速率三色。這兩種算法都有著兩種工作模式：色盲模式、非色盲模式。業(yè)內實際應用中，比較常用的模式是色盲模式。

實際應用中選擇配置令牌桶的數(shù)量為兩個（分別稱為C桶和E/P桶），這樣可以更加靈活地進行策略上的控制。

本文中對令牌桶對流量進行評估時涉及4類參數(shù)采用縮寫的形式，介紹如下：（1）CIR：令牌進入C桶的速率值。（2）CBS：C桶容量，每次突發(fā)C桶允許的最大流量值。（3）PIR：向E/P桶中投放令牌的速率，即峰值信息速率。（4）EBS/PBS：E/P桶容量，即峰值突發(fā)尺寸。

2.1.1單速率三色算法（srTCM）

單速率三色算法，可以根據(jù)制定的規(guī)格去度量數(shù)據(jù)流，然后由度量的結果對數(shù)據(jù)流進行分類，最后對分類后的數(shù)據(jù)流進行標記著色。單速率三色標記算法采用：CIR，CBS，EBS對數(shù)據(jù)流進行評估。實際應用中采用兩個桶構成的結構：C桶和E桶。C桶令牌數(shù)表示為Tc，E桶令牌數(shù)表示為Te，C桶E桶總容量分別為CBS，EBS。開始時，C桶E桶裝滿令牌，即Tc的值為CBS，Te的值為EBS。向令牌桶中添加令牌的速率為CIR，添加令牌的順序通常先向C桶添加令牌，等C桶滿后，再向E桶中添加令牌。

色盲模式，如果長度為B的報文進入設備。此時C桶的令牌數(shù)大于報文長度B即Tc＞B，報文可以獲得足夠的令牌著為綠色，Tc的值減少B，如圖1所示。

圖1　標記綠色報文

若C桶的令牌數(shù)小于報文的長度但是E桶的令牌數(shù)大于報文的長度即Tc＜B ＜Te，報文著為黃色，Tc，Te的值均減少B，如圖2所示。

圖2　標記黃色報文

若E桶中的令牌數(shù)小于報文的長度即B ＞Te，報文著為紅色，這種情況下Tc，Te的值均保持不變，如圖3所示。

圖3　標記紅色報文

在非色盲模式下，報文如果已被標記為綠色或B＜Tc，則報文被標記為綠色，Tc減少B；若報文已被標記為黃色或Tc＜B ＜Te，則標記為黃色，且Te減少B；若報文已被標記為紅色或B＞Te，則標記為紅色，Tc和Te都不變 。

對于單速率三色標記令牌桶的構成上有兩種方式，如圖4所示。

圖4　srTCM令牌桶構成

第一種方式：C桶和E桶是兩個獨立的令牌桶。這種方式下當確保突發(fā)流量不會有的情況下，EBS的值可以等于0。

第二種方式：C桶作為E桶的一部分（圖B），由一個桶實現(xiàn)。這種方式下E桶的容量等于最終桶的容量，因此無論是否有突發(fā)流量，EBS不等于0，必須大于或等于CBS。這是一種完全按照令牌桶的定義來實現(xiàn)的實現(xiàn)方式，由于CBS和EBS都是令牌桶的參數(shù)，所以放入一個相同的桶實現(xiàn)，通過突發(fā)計數(shù)器來進行區(qū)分。

2.1.2雙速率三色算法（trTCM）

雙速率三色算法，依據(jù)：CIR，CBS，PIR，PBS進行評估。在2.1.1單速率三色算法中已經介紹了前兩個參數(shù)的含義，PIR的值要大于等于CIR的設置值，需要注意的是PIR這個參數(shù)在交互機中才有意義，路由器沒有PIR這個參數(shù)。

如圖5所示C桶和P桶兩個桶組成trTCM中常用令牌桶結構。對于單速率三色算法來說，注入令牌的速率只有一個，而雙速率三色標記算法向C桶和P桶這兩個令牌桶填充令牌的速率是不同的，分別為CIR，PIR；CBS，PBS為兩個桶的容量。Tc，Tp表示兩桶中的令牌數(shù)目，開始時，C桶E桶裝滿令牌，即Tc的值為CBS，Tp的值為PBS。

當模式處于色盲的情況下，報文速率PIR時，那些超出Tp的部分報文得不到令牌，被標為紅色，一些報文長度小于Tp，報文可以從P桶中取得令牌，這樣的報文被標為黃色，從C桶中獲取令牌的報文被標記為綠色；當報文速率介于CIR 和PIR之間時，沒有得不到令牌的報文，只是被標記的顏色不同，從P桶中獲取令牌，被標記為黃色，從C桶中獲取令牌被標記為綠色；當報文速率比CIR小時，報文全部由C桶獲取令牌，這種情況下，全部被標記為綠色報文。

當模式處于非色盲的情況下，那些超過Tp部分無法得到令牌的報文或者已經有紅色標記的報文，標記為紅色；超過Tc未超過Tp部分報文或者已經有黃色標記的報文，標記為黃色；未超過Tc部分報文或者已經有綠色標記的報文，標記為綠色。

2.1.3srTCM算法與trTCM算法的比較

以上著重研究了srTCM算法和trTCM算法。兩者都是常用的令牌桶算法，各有優(yōu)缺點?，F(xiàn)將兩種算法作了比較，如表1所示。

表1　srTCM算法與trTCM 算法的比較

2.2CAR技術中改進的令牌桶算法

由2.1.1的介紹知，令牌桶的兩種常用算法中單速率三色標記算法（srTCM）的突出優(yōu)點就是能很好應對報文尺寸突發(fā)，缺點是對于速率突發(fā)的處理的能力較弱。而雙速率三色算法（trTCM）卻有著能很好應對速率突發(fā)的優(yōu)點，所以綜合兩種算法的優(yōu)缺點，可以對單速率三色算法進行一些有效改進。

在令牌桶結構中，使用srTCM中的A結構，改進點為放入C桶的令牌速率不等于放入P桶的令牌速率，分別為CIR、PIR。這樣就克服了不能很好應對速率突發(fā)的缺點。

根據(jù)RFC協(xié)議，向令牌桶中投放令牌的速率時恒定的，為CIR或者PIR。相當于添加一個令牌間隔為1/CIR或者1/ PIR時間。實際應用的情況下，有兩種常見投放令牌的方式：周期性添加和一次性添加。

周期性添加，令牌桶容量除以添加速率就等于添加令牌的周期，每個周期向令牌桶注入CBS個令牌；相比周期性添加，一次性添加無規(guī)定的添加周期，一旦發(fā)現(xiàn)令牌桶中令牌書為0就進行一次添加活動，并且注入令牌桶的令牌數(shù)量是CIR*（兩次添加的時間差）。

在實際應用中，周期添加令牌有一些缺點，當報文發(fā)送的周期與令牌添加的周期不相同時，使得報文在此期間沒有令牌而無法轉發(fā)，此期間丟包率會很高；一次性添加的方式相當于使用了一種“借債”的機制，在桶內沒有令牌的情況下，報文進入令牌桶，和周期性添加不同的是，這時會一次性向令牌桶注入令牌，從而將丟包率控制在比較低的范圍內。對于突發(fā)流量的情況，一次性添加方式更擅長處理。

2.3流量分類和標記

對于流量而言，對其進行分類時，使用不同規(guī)格的分類標準最終劃分出的類型是不同的。通常情況下會根據(jù)服務類型和報文的優(yōu)先級來作為標準。

報文中很多信息可以使用：網絡協(xié)議（Internet Protocol，IP）的服務型字段、物理接口、源IP地址、目的IP地址、端口號等。這些信息都可以作為流量分類的標準。比如使用服務型字段的前3位（IP優(yōu)先級）可以區(qū)分8類報文，使用前6位（區(qū)分服務編碼點）能區(qū)分64類報文。當確定某網段報文時，可以使用一個五元組（源地址、源端口號、協(xié)議號、目的地址、目的端口號）。

流量分類結束后就會給不同類的流量打上不同的標記。流量分類的操作一般在網絡的邊界進行，從而使得網絡內部的處理者清楚報文的類別，然后依據(jù)預先的規(guī)則對不同類的報文進行相應的處理。理論上，報文的任何信息段都可以作為流分類的標準，但實際應用中在對流量標記時，對于多協(xié)議標簽轉換（Muti-Protocol Label Switching，MPLS）報文只標記EXP（自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)）域、對于IP報文只標記服務類型（Type of Service，ToS）域。

3　CAR技術實現(xiàn)

CAR（流量監(jiān)控技術）的實質是按照一定的規(guī)格監(jiān)督進入設備的流量，對不符合規(guī)格的流量進行處理，將進入設備的流量限制在該規(guī)格之下。

在設備中應用時，流量監(jiān)控處理的具體執(zhí)行過程如圖6所示。首先報文進入設備，由于提前配置了匹配規(guī)則，這些報文將被分為不同的類，如果一些報文不滿足匹配規(guī)則將不被處理；對于滿足匹配規(guī)則被分為不同類的報文，將被送入令牌桶。能獲取足夠令牌的報文和不能獲取令牌的報文分別標記不同的顏色。對不同顏色報文采取不同的監(jiān)管措施也就是對報文應用的動作，實際中常用的監(jiān)管動作有：改變優(yōu)先級、轉發(fā)、丟棄。默認一般情況下，被著為綠色的報文將被成功轉發(fā)，而將丟棄被著為紅色的報文。

圖6　流量監(jiān)控處理流程

實際應用中，令牌桶容量、令牌注入速率都不是固定不變的，其值都可以由使用者自己指定。

4　結語

CAR技術作為一種是網絡流量監(jiān)控常用技術，其在保證網絡服務質量中處于極其重要的地位。本文介紹了CAR的3種類型：全局CAR、流行為CAR、接口CAR。令牌桶算法對于CAR技術的實現(xiàn)很重要，本文對srTCM算法和trTCM 算法進行了研究和比較，提出了改進后的令牌桶算法將其應用在CAR技術中。CAR技術中需要通過流量分類標準來對流量進行合理分類，對需要監(jiān)控的流量進行處理，從而達到保證網絡質量的目的。

［1］王蘭芳.CAR技術在Comware平臺上的實現(xiàn)［J］.科研，2012（5）：25-27.

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［3］邢海飛，郭裕順.QoS 二次流量監(jiān)管實現(xiàn)［J］.計算機系統(tǒng)應用，2010（4）：34-36.

Research on CAR technology of network flow monitoring

Li Bolun， Wang Haidong， Qian Gaoran， Tang Xiang， Gao Xiumin
（Hangzhou Electronic Information University， Hangzhou 310018， China）

CAR technology is widely used in network traffic monitoring technology. Currently there are three types of CAR: Global CAR，popular for CAR， interface CAR. The role of CAR is to monitor the flow of equipment， once the flow into the device beyond the threshold， it is necessary to carry out the action， to ensure the normal processing of network resources. In today's communication field CAR technology is very large. Token bucket algorithm is the basis for the implementation of CAR technology on the device. In this paper， we focus on the single rate three color algorithm and two rate three color algorithm， according to the advantages of these two methods， combined with the realization of the two methods to give a new way.

CAR technology； token bucket algorithm； flux monitoring technology

項目名稱：國家重大科學儀器設備專項子任務；項目編號：2012YQ17000408。項目名稱：國家自然科學基金面上項目；項目編號：61378035。項目名稱：浙江省重大科技專項；項目編號：2012C12017-5）。項目名稱：浙江省151人才計劃資助；項目編號：12-2-008。

李博倫（1991— ），男，河北石家莊，碩士。