Cisco路由器上的CAR的机制和实现方法

2019-11-05 00:20:15

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供稿：网友

　　前言
　　许多单位因为工作需要，都建立了单位的内部网络，大型的企业和单位可能还建立了广域网（WAN）。网络上的应用类型种类繁多，为了保障主要应用的良好运作，必然要在网络上进行流量控制。

一种方法是购买一些流量控制的产品如PacketShaper，但是这类产品价格比较昂贵，使得用户不能大面积的在全网范围内部署；第二种方法就是在企业网广泛使用的CISCO路由器上使用CAR流量控制策略。
　　一、什么是CAR
　　CAR是Committed access Rate的简写，意思是：承诺访问速率。
　　1．CAR的作用
　　CAR主要有两个作用：对一个端口或子端口(subinterface)的进出流量速率按某个标准上限进行限制；对流量进行分类，划分出不同的QoS优先级。
　　2．CAR的适用范围
　　CAR只能对ip包起作用，对非IP流量不能进行限制，另外CAR只能在支持CEF交换（Cisco ExPRess Forward）的路由器或交换机上使用。所以只有Cisco 2600系列以上的型号才可以使用CAR。以下这些interface上也不能使用CAR：
　　Fast EtherChannel interface
　　Tunnel Interface
　　PRI interface
　　3．CAR的运作机制
　　CAR可以看成是数据包分类识别(packet classification)和流量控制(access rate limiting)的结合。其工作流程可以从下图指出：
　　　

　　第一步的Traffic Matching是首先从数据流中识别出感爱好的流量。所谓感爱好的流量，是指用户希望对其进行流量控制的数据包类型。用户可以选择以下几种不同的方式来进行流量识别：
　　（1）全部的IP流量，这样可以把所有的IP流量采用统一的流量控制策略。
　　（2）基于IP前缀，此种方式是通过rate-limit　access list来定义的。
　　（3）QoS 分组
　　（4）MAC地址，此种方式通过rate-limit 　access list来定义。
　　（5）IP　access list，可通过standard或extended　access list来定义。
　　在第一步采用上述方法识别到了感爱好的流量后，进行第二步的流量衡量（traffic measurement）。CAR采用一种名为token bucket的机制来进行流量衡量。见下图：
　　

　　图中的token可以看成是第一步的traffic matching所识别到的感爱好流量，该种流量的数据包进入一个bUCket（桶）内，该bucket的深度则由用户定义，在进入该token bucket后，以用户希望控制的流量速率（此流量速率并非该类流量的实际速率，而是用户希望该类流量的速率上限）离开该bucket，执行下一部操作（conform action）。在这里，对于实际流量速率的不同，可以看到会有两种情况发生：
　　（1）实际流量小于或等于用户希望速率，这样，明显地，token离开bucket的实际速率将和其来到的速率一样，bucket内可以看作是空的。流量不会超过用户的希望值。
　　（2）实际流量大于用户希望速率。这样，token进入bucket的速率比其离开bucket的速率快，这样在一段时间内，token将填满该bucket，继续到来的token将溢出(excess)bucket，则CAR采取相应的动作（一般是丢弃或将其IP前缀改变以改变该token的优先级）。这样就保证了数据流量速率保证在用户定义的希望值内。
　　二、如何配置CAR
　　一般来说，CAR比较适合部署在网络的边缘部分，我们的一般做法也是在分关路由器上部署CAR。配置CAR主要包括以下几部分：
　　1.确定“感爱好”的流量类型，主要通过下列方式确定：
　　（1）所有的IP流量
　　（2）基于IP前缀
　　（3）基于QoS分组
　　（4）基于MAC地址
　　（5）基于standard或extended的IP Access list
　　一般最常用的是第五种方式。用户可以使用standard ip access list来确定哪些进行访问（被访问）的IP的流量需要进行rate-limit，也可以用extended ip access list来确定哪些访问（被访问）的IP的协议类型流量（如HTTP，FTP）需要进行rate-limit。例如我们想限制用户到内部网站上浏览网页的速度，则可以采用如下的access list来定义流量：
　　access-list 101 permit tcp any eq www any
　　这里值得注重的一点是在配置时要配成any eq www any而不是any any eq www。
因为主要的流量不是用户向http server发送的请求（这类请求流量的源端口号为随机，目的端口号为80），而是http server收到用户的请求后发给用户方的网页内容的流量（这部分流量的源端口号为80，目的端口号为发起方的端口号），假如在这个小细节上不加注重则不能对下载的流量进行有效的限制。
　　2.在相应的端口配置rate-limit:
　　一般的写法是：
　　interface X
　　rate-limit {inputoutput} [access-group number ] bps burst-normal burst-max conform-action action exceed-action action
　　命令解释如下：
　　interface: 用户希望进行流量控制的端口，可以是Ethernet也可以是serial口，但是不同类型的interface在下面的input　output上选择有所不同，需要注重一下。
　　Inputoutput:用户希望限制输入或输出的流量。还是以限制浏览网页为例子，假如在以太网端口配置，则该流量为output；假如在serial端口配置，则该流量为input。
　　Access-group number: number是前面用户用access list定义流量的access list号码。
　　Bps:用户希望该流量的速率上限，单位是bps。
　　Burst-normal burst-max：这个是指token bucket的大小，一般采用8000,16000,32000这些值，视乎bps值的大小而定。
　　Conform-action ：在速率限制以下的流量的处理策略。
　　Exceed-action:超过速率限制的流量的处理策略。
　　Action:处理策略，包括以下几种：
　　Transmit:传输
　　Drop:丢弃
　　Set precedence and transmit:修改IP前缀然后传输
　　Set QoS group and transmit:将该流量划入一个QoS group内传输
　　Continue:不动作，看下一条rate-limit命令中有无流量匹配和处理策略，如无，则transmit
　　Set precedence and continue:修改IP前缀然后continue
　　Set QoS group and continue:划入QoS group然后continue
　　
　　这里需要指出的是，在一个interface内，可以配置多条rate-limit命令，假如action里面有continue，则顺序执行下一条rate-limit命令，若某种流量在continue之后没有被某条rate-limit命令丢弃，则它将进行传输。一个端口最多可配２０条rate-limit命令。
　　那么对于我们进行http限制的例子，相应的配置为：
　　interface e0
　　rate-limit output access-group 101 128000 16000 16000 conform-action transmit exceed-action drop
　　这里我们把下载的流量定义在128Kbps,token bucket的大小为16000字节。假如把token bucket定得太小（如4000）,则用户端的速率将显得不够平滑。
　　三、如何检查CAR是否在相应端口起了作用
　　采用命令show interface XX rate-limit可以检查端口XX的CAR实际效果，见如下实例：
　　Fddi2/1/0
　　Input
　　matches: access-group 101
　　params: 80000000 bps, 72000 limit, 72000 extended limit
　　conformed 0 packets, 0 bytes; action: set-prec-transmit 5
　　exceeded 0 packets, 0 bytes; action: set-prec-transmit 0
　　last packet: 4738036ms ago, current burst: 0 bytes
　　last cleared 01:02:05 ago, conformed 0 bps, exceeded 0 bps
　　matches: all traffic
　　params: 50000000 bps, 64000 limit, 64000 extended limit
　　conformed 0 packets, 0 bytes; action: set-prec-transmit 5
　　exceeded 0 packets, 0 bytes; action: set-prec-transmit 0
　　last packet: 4738036ms ago, current burst: 0 bytes
　　last cleared 01:00:22 ago, conformed 0 bps, exceeded 0 bps
　　Output
　　matches: all traffic
　　params: 80000000 bps, 80000 limit, 80000 extended limit
　　conformed 0 packets, 0 bytes; action: transmit
　　exceeded 0 packets, 0 bytes; action: drop
　　last packet: 4809528ms ago, current burst: 0 bytes
　　last cleared 00:59:42 ago, conformed 0 bps, exceeded 0 bps
　　这里解释一下show interface rate-limit看到的结果。
　　Matches是表示该interface配置的traffic matching规则，有多个matches表示该interface配置了多条rate-limit命令，采用了多条matching规则。下面的params表示该规则定义的各项参数，xxx bps表示设定速率值，limit和extended limit表示token bucket的容量。Conformed x packets,y bytes表示对速率限制内的包数量和字节数，action表示对符合规则的包采用的处理方式；exceeded x packets这行也类似地是表示对超过速率限制的包的数量和字节数，action是其处理方式。
下面的last packet是表示最新的到来数据包的是多久前到达的，current burst是当前token bucket内的数据大小，last cleared是最近一次清记数器到现在的时间，conform x bps表示速率限制内的包的实际流量速率，exceed y bps　表示超过部分的速率。
　　我们可以用这条命令检查我们配置CAR的实际效果，假如发现没有conform的流量，则一般情况下是traffic matching的规则设置有问题，又或者是在interface上的input output设得不正确。
　　四、CAR的其他用途
　　CAR除了可以象我们提供的范例所示来限制某种流量的速率之外，还可以用来反抗某些类型的网络攻击。
　　DOS网络攻击的一个特征是网络中会充斥着大量带有非法源地址的ICMP包，我们可以通过在路由器上对ICMP包通过配置CAR来设置速率上限的方法来保护网络。
　　范例如下：
　　interface xy
　　rate-limit output access-group 2020 3000000 80000 80000 conform-action transmit exceed-action drop
　　access-list 2020 permit icmp any any echo-reply
　　这样可以限制ICMP包的转发速率和大小，减少对网络和主机造成的破坏。

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