基于Linux的HGU設(shè)備接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制的內(nèi)核實現(xiàn)新方法

彭求明

摘? ?要：HGU用戶側(cè)接口（LAN、WLAN）可以連接很多用戶終端，并在同一時間接入公網(wǎng)，出于安全管理和上網(wǎng)質(zhì)量的考慮，在國內(nèi)三大運營商電信、移動、聯(lián)通技術(shù)規(guī)范中，均有對接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制功能的需求，本文分析了現(xiàn)有的實現(xiàn)方法，研究了Linux內(nèi)核Netfilter網(wǎng)絡(luò)層的實現(xiàn)機制，通過在Netfilter的NF_IP_FORWARD Hook點注冊鉤子處理函數(shù)，在內(nèi)核態(tài)實現(xiàn)了一種接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制的新方法。

關(guān)鍵詞：HGU/家庭網(wǎng)關(guān)? Netfilter? Hook點? 接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制? Linux內(nèi)核

中圖分類號：TP31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（a）-0147-02

1? HGU應(yīng)用場景

HGU（Home Gateway Unit家庭網(wǎng)關(guān)單元）是連接家庭網(wǎng)絡(luò)和Internet的網(wǎng)關(guān)單元，可通過各種網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口（PON接入、xDSL接入、以太網(wǎng)接入等）與接入網(wǎng)/接入點相連最終連到Internet，并通過用戶側(cè)接口（LAN、WLAN）與各種用戶終端相連，用戶終端通常有個人計算機PC、筆記本、手機、平板電腦、機頂盒等，基本都是通過路由模式接入Internet，機頂盒會用到橋接模式，固定配置一個LAN口為橋接模式，其他LAN口和WLAN連接的各種用戶終端都是通過路由模式訪問Internet上網(wǎng)。出于安全管理和上網(wǎng)質(zhì)量的考慮，在國內(nèi)三大運營商電信、移動、聯(lián)通規(guī)范中，均有對用戶上網(wǎng)數(shù)量限制的功能：路由模式下，HGU/家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持對同一時間接入公網(wǎng)用戶數(shù)量進(jìn)行限制，配置接入公網(wǎng)最大用戶數(shù)為N時，第N+1個用戶開始無法正常上網(wǎng)。

2? 接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制的現(xiàn)有實現(xiàn)方法

接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制，目前的實現(xiàn)方法是：在HGU上開啟DHCP Server功能，用戶側(cè)終端通過DHCP自動獲取IP地址，配置DHCP Server對分配IP地址數(shù)量限制，來實現(xiàn)用戶上網(wǎng)數(shù)量限制功能，但如果對用戶終端配置了靜態(tài)IP地址，就無法限制。

本文研究了Linux內(nèi)核Netfilter網(wǎng)絡(luò)層的實現(xiàn)機制，通過在Netfilter的NF_IP_FORWARD Hook點注冊鉤子處理函數(shù)，在內(nèi)核態(tài)實現(xiàn)了一種接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制的新方法，用戶側(cè)終端不管是通過DHCP自動獲取IP地址，還是配置靜態(tài)IP地址，都能進(jìn)行接入公網(wǎng)用戶數(shù)量的限制。

3? 在內(nèi)核態(tài)實現(xiàn)接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制

3.1 用戶數(shù)量限制在Netfilter中Hook點選擇

Netfilter是Linux 2.4.x引入的一個子系統(tǒng)，它作為一個通用的、抽象的框架，提供一整套的hook函數(shù)的管理機制，使得諸如數(shù)據(jù)包過濾、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）和基于協(xié)議類型的連接跟蹤成為了可能。Netfilter架構(gòu)就是在整個網(wǎng)絡(luò)流程的若干位置放置了一些檢測點（Hook），而在每個檢測點上登記了一些處理函數(shù)進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)層（IP）五個Hook點的位置如圖1所示。

NP_IP_PRE_ROUTING：剛剛進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包通過此點（剛剛進(jìn)行完版本號，校驗和等檢測），目的地址轉(zhuǎn)換在此點進(jìn)行;

NF_IP_LOCAL_IN：經(jīng)路由查找后，送往本機的通過此檢查點，INPUT包過濾在此點進(jìn)行;NF_IP_FORWARD：要轉(zhuǎn)發(fā)的包通過此檢測點，F(xiàn)ORWARD包過濾在此點進(jìn)行;

NF_IP_LOCAL_OUT：本機進(jìn)程發(fā)出的包通過此檢測點，OUTPUT包過濾在此點進(jìn)行;

NF_IP_POST_ROUTING：所有馬上便要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出去的包通過此檢測點，內(nèi)置的源地址轉(zhuǎn)換功能（包括地址偽裝）在此點進(jìn)行。

HGU下掛的各種用戶終端上網(wǎng)時，HGU收到的每個數(shù)據(jù)包，首先都是進(jìn)入第一個Hook點NP_IP_PRE_ROUTING進(jìn)行處理;然后經(jīng)過路由判決，決定該數(shù)據(jù)包是需要轉(zhuǎn)發(fā)還是發(fā)給本機，用戶終端上網(wǎng)的數(shù)據(jù)包的目的地不是本機，需要轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)入Hook點NF_IP_FORWARD處理，經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過最后一個Hook點NF_IP_POST_ROUTING處理以后，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，之后進(jìn)入Internet。因此用戶終端上網(wǎng)的數(shù)據(jù)包肯定會進(jìn)入Hook點NF_IP_FORWARD處理，所以選擇在此Hook點注冊用戶數(shù)量限制鉤子處理函數(shù)。

3.2 接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制的內(nèi)核實現(xiàn)

接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制內(nèi)核實現(xiàn)是以user_num_limit.ko形式提供，分為兩個子模塊：初始化模塊、用戶數(shù)量限制實現(xiàn)模塊。

（1）初始化模塊：用戶數(shù)量限制內(nèi)核組件user_num_limit.ko初始化，是向Netfilter在網(wǎng)絡(luò)層的NF_IP_FORWARD點注冊用戶數(shù)量限制的鉤子處理函數(shù)，分兩步，首先定義一個struct nf_hook_ops結(jié)構(gòu)體變量user_num_limit，并且對每個成員進(jìn)行賦值：

首先判斷輸入?yún)?shù)，如果skb或skb->mac_header或輸入設(shè)備指針或輸出設(shè)備指針任一為NULL，就接受此報文，不做用戶數(shù)限制，繼續(xù)向下處理;判斷輸入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和輸出網(wǎng)絡(luò)設(shè)備名的首字母，輸入設(shè)備名的首字母必須為'b'，表示輸入設(shè)備名是brxxx，輸出設(shè)備名的首字母可以為'p'或'w'，表示輸出設(shè)備名是pon.xxx或wan.xxxx，這些都要進(jìn)行用戶數(shù)限制處理，其他情況都接受允許繼續(xù)向下處理，不做用戶數(shù)限制。

然后是用戶數(shù)限制處理，整個處理過程要加軟中斷自旋鎖保護(hù)，因為操作了全局變量用戶鏈表、最大用戶數(shù)、當(dāng)前用戶數(shù)、用戶超時時間。遍歷用戶鏈表中每一個用戶節(jié)點，分三種情況：用戶鏈表中的用戶mac地址與此報文中mac地址一樣、用戶鏈表中的mac地址與此報文中的mac地址不一樣、用戶鏈表遍歷完后還找不到此報文的mac地址。如果用戶鏈表中的用戶mac地址與此報文中mac地址一樣，就更新此用戶的接入時間為當(dāng)前jiffies，break跳出遍歷，接受此報文，該用戶就能上網(wǎng);如果用戶鏈表中的mac地址與此報文中的mac地址不一樣，就判斷超時時間是否已到，如果已經(jīng)超時了，就從用戶鏈表中把此用戶刪掉，并把當(dāng)前用戶數(shù)減1，如果還沒超時，就不做處理，都是繼續(xù)遍歷;如果用戶鏈表遍歷完后還找不到此報文的mac地址，先判斷當(dāng)前用戶數(shù)是否小于最大用戶數(shù)，如果是，就把此新用戶節(jié)點添加到用戶鏈表中，并把當(dāng)前用戶數(shù)加1，用戶節(jié)點信息包括mac地址和接入時間，并接受此報文，該用戶就能上網(wǎng)，此情況也包括了最開始用戶鏈表為空;如果當(dāng)前用戶數(shù)大于或等于最大用戶數(shù)就丟棄此報文，該用戶就不能上網(wǎng)。

4? 結(jié)語

本文提出的接入公網(wǎng)用戶數(shù)量限制實現(xiàn)的新方法，與現(xiàn)有方法相比，用戶側(cè)終端不管是通過DHCP自動獲取IP地址，還是配置靜態(tài)IP地址，都能進(jìn)行用戶上網(wǎng)數(shù)量的限制，而且本方法都是在Linux內(nèi)核態(tài)運行，所以執(zhí)行效率高。

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