摘要：文章总结了带宽控制技术的相关知识及方法，对RouterOS软路由系统进行全面的概述，并从大学公共机房的实际应用出发，运用RouterOS软路由系统解决了带宽分配问题。
关键词：RouterOS；带宽控制；P2P限速；大学公共机房
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）34-8146-04
1 带宽控制技术
带宽控制是利用互联网数据包的特性，针对来源、目的、应用或其他特殊格式，进行阻拦或允许，使得带宽在不同的应用和用户之间灵活分配。
QoS（Quality of Service）服务质量，它为各种应用程序提供尽力服务以满足不同程序特定需求的服务，可用于解决网络拥塞、延迟等问题，是网络传输中的一种机制，也可以理解为对通信数据的特定服务。QoS工作方法是通过丢包实现的，它与提供尽力型的服务的网络IP协议族不同。网络IP协议族会平等对待业务流，但QoS则力图区分用户和业务流，以根据不同需求情况分配带宽，保证数据流的质量。Qos在形成新的网络流时，会出现丢包的情况，但并会因此丢失 TCP信息，因为被丢掉的包会被再次发送，确保了不会丢弃TCP协议。可以说QoS不止是限流，更多的是提供优良品质的网络服务。
作为实现QoS重要部分，带宽控制能达到控制网络流量、保障特定业务流带宽的目的。它主要是通过对网络业务流进行分类，分配不同的带宽并限制其数据包的传输速率来实现的。依据业务流的服务类型（通过源/目的端口判断）以及源地址、目的地址等数据包关键内容进行具体的带宽分类。可以说管理带宽的本质就是QoS概念的体现。
一般常用速率控制与队列的方法进行带宽控制。其中，使用队列控制带宽的常用方法有两种：基于分类的队列、优先级队列。基于分类的队列，是指网络管理员会根据某些标准，对数据包进行分类与排队，并为每一种分类划分固定的带宽。这种方法的弊病是，当带宽划分后，分类队列的应用无法使用其他分类的带宽，即便这一分类的带宽仍有剩余，这样带宽并没有得到有效的使用。还有一种与之类似队列――加权公平队列，它是在分类队列的基础上给不同分类添加优先权，重要的分类会拥有较高级别的优先权，但仍旧不可避免的存在分类队列的弊病。优先级队列与加权公平队列也有一定的相似之处，它们都会为不同的业务流添加不同的优先权。不同的是，优先级队列会先为要传输的数据包添加不同的优先权，然后根据优先权的不同分成不同的队列。但低优先权的数据包的传输往往会在高优先权流量突发出现时，停滞传输，这时管理员也无法控制带宽的分配，导致了低优先权数据包迟迟也等不到传输的机会。
通过的速率控制带宽分配的常用方法也有两种，分别是ATM通用信元速率算法与TCP速率控制。ATM通用信元速率算法主要用于ATM网络，它会检查信元流，并判断每一个信元有没有遵从虚电路的参数，通过控制信元流来达到带宽控制的目的。这一算法适合数据流相对恒定的网络，因为当有突发性数据包输入时，有可能会丢掉数据分组。TCP速率控制算法就是在TCP可靠传输的基础上，对滑动窗口协议的进一步应用，TCP的滑动窗口协议主要应用于流量控制以及管理丢失的数据。滑动窗口协议中的窗口大小，指的是发送方主机在收到接收方的确认消息之前的传输能力，即可以传输的数据大小。TCP速率控制算法会计算任何一个TCP会话往返的时间，并且修改TCP的头部内容，延迟TCP的确认，在给分类业务流的流量分配上，有较高的工作效率。但这种算法要求准确测量传输往返的时间以及数据传输的速度，这样精确的数据要求难度很大，并且测量过程会增加带宽的开销，算法本身也相当复杂，因此应用不广。
一般局域网中，使用较多的带宽控制方法是基于队列分类的，因为队列分类符合日常的业务流情况，对于网络设备以及算法本身也比较容易实现。在网络结点设备上，一般对队列进行如下分类：FIFO（先进先出队列）、SFQ （随机公平队列）、 RED（ 随机早先探测） 、PCQ （每次连接队列）以及 HTB（等级令牌桶）等五种队列规则。
2 RouterOS带宽控制
RouterOS是一种路由操作系统，通过该软件将标准的PC电脑变成专业路由器。RouterOS可通过网络安装、U盘安装以及CD镜像文件安装三种安装方式，其兼容x86架构平台，所需最小内存32MB即可，一台586PC机就可以实现路由功能，并且在提高硬件性能同样也能提高网络的访问速度和吞吐量。
RouterOS能对特定的IP地址、子网、协议，端口以及其他参数限制数据率；限制P2P流量以保证优先考虑一些数据包流；还能使用队列脉冲串已获得更快的WEB浏览体验；并且队列不仅可以应用在数据包通过的路由器真实接口上，还可以应用在虚拟接口上。
2.1 RouterOS带宽控制的队列规则
RouterOS能支持PFIFO（包先进先出）、 BFIFO（字节先进先出）、 SFQ （随机公平队列）、RED（ 随机早先探测） 、PCQ （每次连接队列）以及 HTB（等级令牌桶）6种队列规则。
1）PFIFO（包先进先出）与BFIFO（字节先进先出）
PFIFO 和BFIFO两种队列都是采用先进先出算法的，即以业务流到达的先后次序作为带宽分配的顺序。两者的主要区别在于衡量的单位不同，PFIFO是以数据包位单位，而BFIFO以字节为单位。这两种队列类似于顺序队列，队列的长度是预先设置的，用PFIFO-limit（BFIFO-limit）这一参数，定义队列可以容纳的数据量。如果队列满了，后面的数据要被丢弃，不能排队。
2）SFQ随机公平排序
并不会限制流量，它主要的作用是在连接完全满的时候均衡业务流，以保证一些连接不至于空等待。当连接队列完全满的时候，SFQ的散列算法会将队列中的数据包，进行分解随机分散到有限数量的子队列中，再由Round-robin算法把从每个子队列的字节按照顺序出队。整个 SFQ队列可以容纳 128个数据包，有1024个子队列可用。SFQ队列如图1所示。 3）RED随机早先探测
RED是一种通过控制平均队列长度避免网络拥塞的排序机制，应用在高数据率的拥挤的连接上，它在 TCP协议上工作很好，但在 UDP上并不理想。当平均队列长度达到 RED规定的某个值（red-min-threshold）时，RED就会随机选择该丢弃队列中的某个包。而当平均队列长度达到red-max-threshold时，随后进入的包会被直接丢弃，有时候真实队列长度会远远大于red-max-threshold，这时RED会丢弃所有超过 red-limit的数据包，如图2所示。
4）PCQ （每次连接队列）
PCQ （Per Connection Queuing， 每次连接队列）， 可以说它是去掉了随机特性的进化版SFQ。PCQ会根据 pcq-classifier（组分类器）产生子队列，但PCQ队列的总大小不能大于 pcq-total-limit包。它可以将不同源 IP地址的包集合到不同的子队列中，并由参数 pcq-limit规定进入子队列数据包数，每个子队列都有一个 pcq-rate参数，对每一个子队列进行限制或均衡，最后每个子队列还可以根据需求附属到某个特定接口上。PCQ用来均衡多用户动态形成的流量，有很好的效果，它也是唯一一种能限流的无等级排序类型。
5）HTB（等级令牌桶）
RouterOS中的HTB（等级令牌桶）队列规则，允许创建一个类似于树型结构的等级队列结构，并确定队列之间的关系。每个队列在 HTB有2个速率限制：约定信息速率（在 RouterOS中的参数为limit-at）和最大信息速率（在RouterOS中的参数为 max-limit），通过双重限制，对队列进行流量管理。
在HTB中，一旦队列添加了一个 Child（子队列）时，HTB就会将其变为 inner（内部队列），仅负责传输的分配，而对符合的数据进行处理这项工作则由Leaf（叶队列）即向下没有 Children（子队列）的队列负责。 在RouterOS中规定，必须指定 Parent（父级）选项和一个子队列。
2.2 RouterOS对P2P流量的限制方法
在用RouterOS进行BT流量封堵时，常常采用限制端口的方式进行，因为BT的服务端口比较固定。同样，我们可以使用类似的方法限制P2P流。虽然P2P应用采用可变端口，这些P2P应用软件都必须进行登录才能使用，因此可以在客户端登录服务器时，获取验证登录的服务器IP地址，然后使用IP屏蔽的方式，达到屏蔽该P2P应用的目的。首先使用RouterOS的WINBOX界面远程登录P2P应用的服务器，注意在RouterOS上的Interface配置，必须是内网的局域网网卡，并做好相应的标识，如标注Ether1，在Src.Address项配置好要进行限制P2P应用的主机IP/掩码。然后在成功获取了IP之后，在IP-Firewall中对IP进行屏蔽。这种方式会完全现在某种特定的P2P应用，但很多时候网络管理并不是想要完全限制某些P2P的应用，而是希望当其在占用大量带宽时，进行合理及必要的限制。所以往往他们会降低数据包分级并且限制数据包总流量大小，这样能达到带宽控制的目的，又不会完全限制P2P下载的使用。具体的限制方法可以通过代码实现，例如要将网络的总流量限制在512KB时，可在RouterOS中配置如下脚本代码：
3 RouterOS在公共机房中的带宽控制实践
在搭建RouterOS系统平台时，只需要设置好PC机的串口连接参数，然后将RouterOS软件安装在电子磁盘中，然后再进行初始化设置，就可以开始使用RouterOS系统了。软件的安装方式有三种，分别可以通过光盘安装、USB安装和ISO镜像文件安装。在使用光盘安装时要注意，首先要在PC机的BIOS设置成光盘为第一启动盘，然后在安装过程中必须勾选system包必须为默认安装。在使用USB方式安装时，需要使用Netintall软件协助安装。当U盘插入USB接口后，启动Netintall软件，然后选择RouterOSx86安装包，然后通过Netintall软件将RouterOS系统安装到U盘上，取出U盘。将PC机的BIOS设置成USB引导启动。使用ISO镜像文件安装的方式，与光盘类似，这里就不多做介绍。
RouterOS安装到电脑后，就可以开始系统的初始化配置。首先启动设备，检查各个接口网卡是否连接正常。然后对RouterOS服务器进行如下配置：
在服务器端配置好后，使用内网IP连接到RouterOS服务器。使用Winbox软件进行其他具体的配置，具体步骤可分为5步。首先，刚才区分确定了内外网卡，所以第一步，应该在系统上配置内网网卡名称，如：内网卡命名为：lan，外网卡命名为：wan，这样能方便以后系统的使用和配置。配置名字后，进行第二步IP地址的配置，在winbox的IP―address中配置内网和外网的IP，lan上使用：192.168.0.1/24，wan上使用192.168.48.7/24。随后就开始第三步网关路由的配置，具体的配置步骤在winbox的IP-routers中配置静态默认路由，0.0.0.0/0 192.168.48.1。第四步要进行NAT转换规则配置，通过IP-Firewall-NAT中配置：192.168.0.0/24，注意action参数的配置一定要选择masquerade。最后，在IP-DNS-setings配置DNS。所有的配置完成后，可以通过Files保存配置。以上五个步骤之后，RouterOS平台就搭建好了，可以进行带宽分配。可以通过建立简单队列来对具体的单个ip主机进行带宽限速。第一步要配置队列名字，要限速的IP地址，然后配置详细的限速，分别有MAX limit 、Burst limit和Burst threshold，注意Burst threshol的值必须小于或等于Burst limit，超出后将提示错误，无法完成配置。所有的配置完成后，可以开始检验限速是否成功。
4 结论
通过对带宽控制的理论总结和对RouterOS对带宽控制的具体情况的分析，成功地运用RouterOS对公共机房的带宽流量进行了分配和有效控制，发现实际运行效果良好。
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