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Linux策略性路由应用及深入分析

作者:  时间: 2010-10-14
策略性路由

  策略性是指对于IP包的路由是以网络管理员根据需要定下的一些策略为主要依据进行路由的。例如我们可以有这样的策略:“所有来直自网A的包,选择X路径;其他选择Y路径”,或者是“所有TOS为A的包选择路径F;其他选者路径K”。 

  Cisco 的网络操作系统 (Cisco IOS) 从11.0开始就采用新的策略性路由机制。而Linux是在内核2.1开始采用策略性路由机制的。策略性路由机制与传统的路由算法相比主要是引入了多路由表以及规则的概念。 

多路由表(multiple Routing Tables) 

  传统的路由算法是仅使用一张路由表的。但是在有些情形底下,我们是需要使用多路由表的。例如一个子网通过一个路由器与外界相连,路由器与外界有两条线 路相连,其中一条的速度比较快,一条的速度比较慢。对于子网内的大多数用户来说对速度并没有特殊的要求,所以可以让他们用比较慢的路由;但是子网内有一些 特殊的用户却是对速度的要求比较苛刻,所以他们需要使用速度比较快的路由。如果使用一张路由表上述要求是无法实现的,而如果根据源地址或其它参数,对不同 的用户使用不同的路由表,这样就可以大大提高路由器的性能。 

规则(rule) 

  规则是策略性的关键性的新的概念。我们可以用自然语言这样描述规则,例如我门可以指定这样的规则: 

  规则一:“所有来自192.16.152.24的IP包,使用路由表10, 本规则的优先级别是1500” 

  规则二:“所有的包,使用路由表253,本规则的优先级别是32767” 

  我们可以看到,规则包含3个要素: 

  什么样的包,将应用本规则(所谓的SELECTOR,可能是filter更能反映其作用); 

  符合本规则的包将对其采取什么动作(ACTION),例如用那个表; 

  本规则的优先级别。优先级别越高的规则越先匹配(数值越小优先级别越高)。 

  策略性路由的配置方法 

  传统的linux下配置路由的工具是route,而实现策略性路由配置的工具是iproute2工具包。这个软件包是由Alexey Kuznetsov开发的,软件包所在的主要网址为ftp://ftp.inr.ac.ru/ip-routing/。 
这里简单介绍策略性路由的配置方法,以便能更好理解第二部分的内容。详细的使用方法请参考Alexey Kuznetsov写的 ip-cfref文档。策略性路由的配置主要包括接口地址的配置、路由的配置、规则的配置。 

  接口地址的配置IP Addr 

  对于接口的配置可以用下面的命令进行: 

Usage: ip addr [ add | del ] IFADDR dev STRING 

  例如: 

router># ip addr add 192.168.0.1/24 broadcast 192.168.0.255 label eth0 dev eth0 

  上面表示,给接口eth0赋予地址192.168.0.1 掩码是255.255.255.0(24代表掩码中1的个数),广播地址是192.168.0.255 

  路由的配置IP Route 

  Linux最多可以支持255张路由表,其中有3张表是内置的: 

  表255 本地路由表(Local table) 本地接口地址,广播地址,已及NAT地址都放在这个表。该路由表由系统自动维护,管理员不能直接修改。 

  表254 主路由表(Main table) 如果没有指明路由所属的表,所有的路由都默认都放在这个表里,一般来说,旧的路由工具(如route)所添加的路由都会加到这个表。一般是普通的路由。 

  表253 默认路由表 (Default table) 一般来说默认的路由都放在这张表,但是如果特别指明放的也可以是所有的网关路由。 

  表 0 保留 

  路由配置命令的格式如下: 

Usage: ip route list SELECTOR 
ip route { change | del | add | append | replace | monitor } ROUTE 

  如果想查看路由表的内容,可以通过命令: 

  ip route list table table_number 

  对于路由的操作包括change、del、add 、append 、replace 、 monitor这些。例如添加路由可以用: 

router># ip route add 0/0 via 192.168.0.4 table main 
router># ip route add 192.168.3.0/24 via 192.168.0.3 table 1 

  第一条命令是向主路由表(main table)即表254添加一条路由,路由的内容是设置192.168.0.4成为网关。 

  第二条命令代表向路由表1添加一条路由,子网192.168.3.0(子网掩码是255.255.255.0)的网关是192.168.0.3。 

  在多路由表的路由体系里,所有的路由的操作,例如网路由表添加路由,或者在路由表里寻找特定的路由,需要指明要操作的路由表,所有没有指明路由表,默认是对主路由表(表254)进行操作。而在单表体系里,路由的操作是不用指明路由表的。

规则的配置IP Rule 

  在Linux里,总共可以定义 个优先级的规则,一个优先级别只能有一条规则,即理论上总共可以有 条规则。其中有3个规则是默认的。命令用法如下: 

Usage: ip rule [ list | add | del ] SELECTOR ACTION 
SELECTOR := [ from PREFIX ] [ to PREFIX ] [ tos TOS ] 
[ dev STRING ] [ pref NUMBER ] 
ACTION := [ table TABLE_ID ] [ nat ADDRESS ] 
[ prohibit | reject | unreachable ] 
[ flowid CLASSID ] 
TABLE_ID := [ local | main | default | new | NUMBER 

  首先我们可以看看路由表默认的所有规则: 

root@netmonster# ip rule list 
0: from all lookup local 
32766: from all lookup main 
32767: from all lookup default 

  规则0,它是优先级别最高的规则,规则规定,所有的包,都必须首先使用local表(254)进行路由。本规则不能被更改和删除。 

  规则32766,规定所有的包,使用表main进行路由。本规则可以被更改和删除。 

  规则32767,规定所有的包,使用表default进行路由。本规则可以被更改和删除。 

  在默认情况下进行路由时,首先会根据规则0在本地路由表里寻找路由,如果目的地址是本网络,或是广播地址的话,在这里就可以找到合适的路由;如果路由 失败,就会匹配下一个不空的规则,在这里只有32766规则,在这里将会在主路由表里寻找路由;如果失败,就会匹配32767规则,即寻找默认路由表。如 果失败,路由将失败。重这里可以看出,策略性路由是往前兼容的。 

  还可以添加规则: 

router># ip rule add [from 0/0] table 1 pref 32800 
router >#ip rule add from 192.168.3.112/32 [tos 0x10] table 2 pref 1500 prohibit 

  第一条命令将向规则链增加一条规则,规则匹配的对象是所有的数据包,动作是选用路由表1的路由,这条规则的优先级是32800。 

  第二条命令将向规则链增加一条规则,规则匹配的对象是IP为192.168.3.112,tos等于0x10的包,使用路由表2,这条规则的优先级是1500,动作是。添加以后,我们可以看看系统规则的变化。 

router># ip rule 
0: from all lookup local 
1500 from 192.168.3.112/32 [tos 0x10] lookup 2 
32766: from all lookup main 
32767: from all lookup default 
32800: from all lookup 1 

  上面的规则是以源地址为关键字,作为是否匹配的依据的。除了源地址外,还可以用以下的信息: 

  From -- 源地址 

  To -- 目的地址(这里是选择规则时使用,查找路由表时也使用) 

  Tos -- IP包头的TOS(type of sevice)域 

  Dev -- 物理接口 

  Fwmark -- 防火墙参数 

  采取的动作除了指定表,还可以指定下面的动作: 

   Table 指明所使用的表 

   Nat 透明网关 

   Action prohibit 丢弃该包,并发送 COMM.ADM.PROHIITED的ICMP信息 

   Reject 单纯丢弃该包 

   Unreachable丢弃该包, 并发送 NET UNREACHABLE的ICMP信息 


策略性路由的应用

  基于源地址选路( Source-Sensitive Routing) 

  如果一个网络通过两条线路接入互联网,一条是比较快的ADSL,另外一条是比较慢的普通的调制解调器。这样的话,网络管理员既可以提供无差别的路由服务,也可以根据源地址的不同,使一些特定的地址使用较快的线路,而普通用户则使用较慢的线路,即基于源址的选路。 

  根据服务级别选路(Quality of Service) 

  网络管理员可以根据IP报头的服务级别域,对于不同的服务要求可以分别对待对于传送速率、吞吐量以及可靠性的有不同要求的数据报根据网络的状况进行不同的路由。 

  节省费用的应用 

  网络管理员可以根据通信的状况,让一些比较大的阵发性通信使用一些带宽比较高但是比较贵的路径一段短的时间,然后让基本的通信继续使用原来比较便宜的 基本线路。例如,管理员知道,某一台主机与一个特定的地址通信通常是伴随着大量的阵发性通信的,那么网络管理员可以安排一些策略,使得这些主机使用特别的 路由,这些路由是按需拨号,带宽比较高的线路,通信完成以后就停止使用,而普通的通信则不受影响。这样既提高网络的性能,又能节省费用。 

  负载平衡(Load Sharing) 

  根据网络交通的特征,网络管理员可以在不同的路径之间分配负荷实现负载平衡。 

  Linux下策略性路由的实现--RPDB(Routing Policy DataBase) 

  在Linux下,策略性路由是由RPDB实现的。对于RPDB的内部机制的理解,可以加深对于策略性路由使用的理解。这里分析的是linux 2.4.18的RPDB实现的细节。主要的实现文件包括: 

fib_hash.c 
fib_rules.c 
fib_sematic 
fib_frontend.c 
route.c 

  RDPB主要由多路由表和规则组成。路由表以及对其的操作和其对外的接口是整个RPDB的核心部分。路由表主要由table,zone,node这些 主要的数据结构构成。对路由表的操作主要包含物理的操作以及语义的操作。路由表除了向IP层提供路由寻找的接口以外还必须与几个元素提供接口:与用户的接 口(即更改路由)、proc的接口、IP层控制接口、以及和硬件的接口(网络接口的改变会导致路由表内容的改变)。处在RDPB的中心的规则,由规则选取 表。IP层并不直接使用路由表,而是通过一个路由适配层,路由适配层提供为IP层提供高性能的路由服务。



路由表(Fib Table) 

  数据结构: 

  在整个策略性路由的框架里,路由表是最重要的的数据结构,我们在上面以及对路由表的概念和结构进行了清楚的说明。Linux里通过下面这些主要的数据结构进行实现的。 

主要的数据结构 作用 位置 
struct fib_table 路由表 ip_fib.h 116 
struct fn_hash 路由表的哈希数据 fib_hash.c 104 
struct fn_zone zone域 fib_hash.c 85 
struct fib_node 路由节点 fib_hash.c 68 
struct fib_info 路由信息 ip_fib.h 57 
struct fib_result 路由结果 ip_fib.h 86 

数据结构之间的主要关系如下。路由表由路由表号以及路由表的操作函数指针还有表数据组成。这里需要注意的是,路由表结构里并不直接定义zone域,而是通过一个数据指针指向fn_hash。只有当zone里有数据才会连接到fn_zone_list里。(如图) 
系统的所有的路由表由数组变量*fib_tables[RT_TABLE_MAX+1]维护,其中系统定义RT_TABLE_MAX为254,也就是说系 统最大的路由表为255张,所有的路由表的操作都是对这个数组进行的。。同时系统还定义了三长路由表*local_table; *main_table。

路由表的操作: 

  Linux策略路由代码的主要部分是对路由表的操作。对于路由表的操作,物理操作是直观的和易于理解的。对于表的操作不外乎就是添加、删除、更新等的 操作。还有一种操作,是所谓的语义操作,语义操作主要是指诸如计算下一条的地址,把节点转换为路由项,寻找指定信息的路由等。 

  1、物理操作(operation): 

  路由表的物理操作主要包括如下这些函数: 

路由标操作 实现函数 位置 
新建路由表 
删除路由表 
搜索路由 fn_hash_lookup fib_hash.c 269 
插入路由到路由表 fn_hash_insert fib_hash.c 341 
删除路由表的路由 fn_hash_delete 
fn_hash_dump 
fib_hash.c 433 
fib_hash.c 614 
更新路由表的路由 fn_hash_flush fib_hash.c 729 
显示路由表的路由信息 fn_hash_get_info fib_hash.c 750 
选择默认路由 fn_hash_select_default fib_hash.c 842 

 2、语义操作(semantics operation): 

  语义操作并不涉及路由表整体框架的理解,而且,函数名也是不言自明的,所以请大家参考fib_semantics.c。 

  3、接口(front end) 

  对于路由表接口的理解,关键在于理解那里有 

   IP 

   首先是路由表于IP层的接口。路由在目前linux的意义上来说,最主要的还是IP层的路由,所以和IP层的的接口是最主要的接口。和ip层的衔接主要是向IP层提供寻找路由、路由控制、寻找指定ip的接口。 

Fil_lookup 
ip_rt_ioctl fib_frontend.c 286;" f 
ip_dev_find 145 

   Inet 

  路由表还必须提供配置接口,即用户直接操作路由的接口,例如增加和删除一条路由。当然在策略性路由里,还有规则的添加和删除。 

inet_rtm_delroute 351 
inet_rtm_newroute 366 
inet_check_attr 335 

   proc 

   在/proc/net/route里显示路由信息。 
   fib_get_procinfo 

  4、网络设备(net dev event) 

  路由是和硬件关联的,当网络设备启动或关闭的时候,必须通知路由表的管理程序,更新路由表的信息。 

fib_disable_ip 567 
fib_inetaddr_event 575 
fib_netdev_event 

  5、内部维护( magic) 

  上面我们提到,本地路由表(local table)的维护是由系统自动进行的。也就是说当用户为硬件设置IP地址等的时候,系统自动在本地路由表里添加本地接口地址以及广播地址。 

fib_magic 417 
fib_add_ifaddr 459 
fib_del_ifaddr 498 

  Rule 

  1、数据结构 

  规则在fib_rules.c的52行里定义为 struct fib_rule。而RPDB里所有的路由是保存在101行的变量fib_rules里的,注意这个变量很关键,它掌管着所有的规则,规则的添加和删除都是对这个变量进行的。 

  2、系统定义规则: 

  fib_rules被定义以后被赋予了三条默认的规则:默认规则,本地规则以及主规则。 

u 本地规则local_rule 
94 static struct fib_rule local_rule = { 
r_next: &main_rule, /*下一条规则是主规则*/ 
r_clntref: ATOMIC_INIT(2), 
r_table: RT_TABLE_LOCAL, /*指向本地路由表*/ 
r_action: RTN_UNICAST, /*动作是返回路由*/ 
}; 

u 主规则main_rule 
86 static struct fib_rule main_rule = { 
r_next: &default_rule,/*下一条规则是默认规则*/ 
r_clntref: ATOMIC_INIT(2), 
r_preference: 0x7FFE, /*默认规则的优先级32766*/ 
r_table: RT_TABLE_MAIN, /*指向主路由表*/ 
r_action: RTN_UNICAST, /*动作是返回路由*/ 
}; 
u 默认规则default rule 
79 static struct fib_rule default_rule = { 
r_clntref: ATOMIC_INIT(2), 
r_preference: 0x7FFF,/*默认规则的优先级32767*/ 
r_table: RT_TABLE_DEFAULT,/*指默认路由表*/ 
r_action: RTN_UNICAST,/*动作是返回路由*/ 
}; 

  规则链的链头指向本地规则。 

  RPDB的中心函数fib_lookup 

  现在到了讨论RPDB的实现的的中心函数fib_lookup了。RPDB通过提供接口函数fib_lookup,作为寻找路由的入口点,在这里有必要详细讨论这个函数,下面是源代码:, 

310 int fib_lookup(const struct rt_key *key, struct fib_result *res) 
311 { 
312 int err; 
313 struct fib_rule *r, *policy; 
314 struct fib_table *tb; 
315 
316 u32 daddr = key->dst; 
317 u32 saddr = key->src; 
318 
321 read_lock(&fib_rules_lock); 
322 for (r = fib_rules; r; r=r->r_next) {/*扫描规则链fib_rules里的每一条规则直到匹配为止*/ 
323 if (((saddr^r->r_src) & r->r_srcmask) || 
324 ((daddr^r->r_dst) & r->r_dstmask) || 
325 #ifdef CONFIG_IP_ROUTE_TOS 
326 (r->r_tos && r->r_tos != key->tos) || 
327 #endif 
328 #ifdef CONFIG_IP_ROUTE_FWMARK 
329 (r->r_fwmark && r->r_fwmark != key->fwmark) || 
330 #endif 
331 (r->r_ifindex && r->r_ifindex != key->iif)) 
332 continue;/*以上为判断规则是否匹配,如果不匹配则扫描下一条规则,否则继续*/ 

335 switch (r->r_action) {/*好了,开始处理动作了*/ 
336 case RTN_UNICAST:/*没有设置动作*/ 
337 case RTN_NAT: /*动作nat ADDRESS*/ 
338 policy = r; 
339 break; 
340 case RTN_UNREACHABLE: /*动作unreachable*/ 
341 read_unlock(&fib_rules_lock); 
342 return -ENETUNREACH; 
343 default: 
344 case RTN_BLACKHOLE:/* 动作reject */ 
345 read_unlock(&fib_rules_lock); 
346 return -EINVAL; 
347 case RTN_PROHIBIT:/* 动作prohibit */ 
348 read_unlock(&fib_rules_lock); 
349 return -EACCES; 
350 } 
351 /*选择路由表*/ 
352 if ((tb = fib_get_table(r->r_table)) == NULL) 
353 continue; 
/*在路由表里寻找指定的路由*/ 
354 err = tb->tb_lookup(tb, key, res); 
355 if (err == 0) {/*命中目标*/ 
356 res->r = policy; 
357 if (policy) 
358 atomic_inc(&policy->r_clntref); 
359 read_unlock(&fib_rules_lock); 
360 return 0; 
361 } 
362 if (err < 0 && err != -EAGAIN) {/*路由失败*/ 
363 read_unlock(&fib_rules_lock); 
364 return err; 
365 } 
366 } 
368 read_unlock(&fib_rules_lock); 
369 return -ENETUNREACH; 
370 } 

  上面的这段代码的思路是非常的清晰的。首先程序从优先级高到低扫描所有的规则,如果规则匹配,处理该规则的动作。如果是普通的路由寻址或者是nat地址转换的换,首先从规则得到路由表,然后对该路由表进行操作。这样RPDB终于清晰的显现出来了。 


IP层路由适配(IP route) 

  路由表以及规则组成的系统,可以完成路由的管理以及查找的工作,但是为了使得IP层的路由工作更加的高效,linux的路由体系里,route.c里完成大多数IP层与RPDB的适配工作,以及路由缓冲(route cache)的功能。 

  调用接口 

  IP层的路由接口分为发送路由接口以及接收路由接口: 

  发送路由接口 

  IP层在发送数据时如果需要进行路由工作的时候,就会调用ip_route_out函数。这个函数在完成一些键值的简单转换以后,就会调用 ip_route_output_key函数,这个函数首先在缓存里寻找路由,如果失败就会调用 ip_route_output_slow,ip_route_output_slow里调用fib_lookup在路由表里寻找路由,如果命中,首先在 缓存里添加这个路由,然后返回结果。 

ip_route_out route.h 
ip_route_output_key route.c 1984; 
ip_route_output_slow route.c 1690;" 

  接收路由接口 

  IP层接到一个数据包以后,如果需要进行路由,就调用函数ip_route_input,ip_route_input现在缓存里寻找,如果失败则 ip_route_inpu调用ip_route_input_slow, ip_route_input_slow里调用fib_lookup在路由表里寻找路由,如果命中,首先在缓存里添加这个路由,然后返回结果。 

ip_route_input_slow route.c 1312;" f 
ip_route_input route.c 1622;" f 

  cache 

  路由缓存保存的是最近使用的路由。当IP在路由表进行路由以后,如果命中就会在路由缓存里增加该路由。同时系统还会定时检查路由缓存里的项目是否失效,如果失效则清除。