基于网络功能虚拟化的校园网接入及其负载均衡

李轶

摘  要：随着校园网接入方式由传统静态IP向宽带远程接入服务（BRAS）的迁移，通过实施基于MacVlan的网络功能虚拟化（NFV）技术应用，实现了在实验室环境下多PPPoE连接的校园网接入;并配合以策略路由技术，达成了多PPPoE出口的均衡负载。其不仅为师生提供了无缝的网络访问体验，同时还达到了带宽叠加的效果，有效提高了网络服务质量。

关键词：宽带远程接入服务器  网络功能虚拟化  MacVlan  策略路由

中图分类号：TP393.1                        文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）01（a）-0094-08

Abstract：With the migration of campus network access mode from traditional static IP to broadband remote access service （BRAS）， by applying MacVlan based network function virtualization technology， a multiple PPPoE connected campus network access is implemented in BRAS environment. Aided with policy-based routing technology， network load-balancing is implemented among these PPPoE exports. It not only provides users with a seamless network access experience， but also realized bandwidth superposition and load-balancing， which improved network service quality effectively.

Key Words：Broadband remote access server; Network function virtualization; MacVlan; Policy-based routing

传统上，校园网用户是以静态IP的方式接入校园网。近年来，随着园区网接入技术的发展。各个大型机构、企业及大学院校纷纷采用了基于BRAS（Broadband Remote Access Server，即：宽带远程接入服务器）的接入方式。而在BRAS环境下，用户若要接入校园网，需要手动建立一个PPPoE拨号连接，并完成相应的用户名和密码认证，而后再由BRAS分配IP地址并接入校園网。因此，在接入方式发送改变后，如何在实验室环境下为师生提供一个无缝的校园网服务，并在此基础上充分利用网络的物理带宽，为师生提供较好的网络服务质量，成为需要解决的问题。

1  BRAS与PPPoE协议

BRAS（Broadband Remote Access Server）又称为宽带远程接入服务器[1]是面向宽带网络应用的新型接入网关。它位于骨干网的边缘层，是宽带接入网与骨干网之间的桥梁。BRAS主要完成两方面功能：一是网络承载功能，其负责响应用户的PPPoE连接，汇聚用户流量以及路由转发;二是控制实现功能，其与认证系统、计费系统和客户管理系统及服务策略控制系统相配合，实现用户接入的认证、计费和管理。

PPPoE（Point-to-Point Protocol Over Ethernet）[2-3]，又称为以太网上的点对点协议。该协议是一种将PPP协议（Point-to-Point Protocol）封装在以太网帧中的一种网络隧道协议。由于该协议中集成了PPP协议，所以提供了传统以太网不能提供的身份验证、加密以及压缩等功能。因此，其最常被应用于终端用户的接入中。比如，在采用BRAS技术的校园网和园区网的用户接入中。由于该协议已经是一个成熟，且被应用已久的技术。因此，本文只做简要介绍，不再赘述。

2  网络功能虚拟化与MacVlan

2.1 网络功能虚拟化

网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，简称NFV）[4]是近年来兴起的一种新兴技术，其是指利用虚拟化技术，将不同的功能网络节点以软件方式实现，而不再局限于硬件架构。它将以往由硬件实现的网络功能（如路由器、防火墙、CDN等）转而使用软件实现，并部署到网络服务器上，从而降低采购和维护成本，提高生产效率。

2.2 MacVlan

作为网络功能虚拟化的具体技术之一，MacVlan[5]是Linux系统内核（Linux kernel v3.09—v3.19 及 v4.0以上）提供的一种网卡虚拟化技术。它能够在一块物理网卡上构造出多块虚拟网卡，且每块虚拟网卡都具有独立的MAC地址。在用户看来，就如同多块真实的物理网卡。MacVlan有四种操作模式[6]，分别是：私有（Private）、虚拟端口聚合（VEPA）、桥接（Bridge）模式和直通（Passthru）。在Private模式下，虚拟网卡之间不可相互通信;在VEPA模式下，虚拟网卡间的通信依赖于外部的交换机，且交换机需要支持802.1Qbg边缘虚拟网桥协议;Bridge模式与VEPA模式相同，只不过MacVlan本身就提供了虚拟网桥，而无需外部交换机支持;在Passthru模式下，虚拟网卡将直接与外部网络连接，且初始具有物理网卡的MAC地址，用户可根据需要变更其MAC地址，也可将其置于杂收（promiscuous）模式。

2.3 结合MacVlan与PPPoE

通常，为保证服务质量网管机构都会对每条接入的PPPoE链路，配置一定的流量及带宽控制策略。为充分利用网络物理带宽，可考虑运用MacVlan网络虚拟化技术，创建多块虚拟以太网卡;然后将其作为PPPoE的拨号设备，这样就得到了多条PPPoE链路，进而还可将网络流量分摊到这些链路上，从而达到带宽叠加及负载均衡的目的。

3  案例实践

3.1 案例拓扑

本案例的网络拓扑结构如图1所示。其中，交换机B为实验楼楼层核心交换机，交换机A为校园网接入交换机。二者之间，挂接了一台双网卡服务器作为网关，其内网网卡eth0（IP地址为：192.168.1.253/30）与交换机B的Fa0/23号三层端口连接（IP地址为：192.168.1.254/30）;外网网卡eth1与交换机A连接，用于实现到校园网的PPPoE拨号连接。

楼层核心交换机B共划分了5个VLAN，分别对应实验室1到实验室4和服务器区。其VLAN ID及本地IP分配如表1所示。

3.2 创建MacVlan虚拟网卡

本案例中，采用一台运行CentOS7.0的部门级服务器作为PPPoE网关。在此环境下，可使用“ip link”命令创建MacVlan的虚拟网卡。其命令格式为：ip link add <虚拟网卡设备名> link <物理网卡设备名> type  macvlan  mode

其中MacVlan的模式“mode”可以是Private、VEPA、Passthru、bridge四种之一。在本案例中，根据实际需要选择了“bridge”模式。

创建的虚拟网卡可通过不带参数的ip link命令查看。如图2所示，本案例中共创建了四块虚拟网卡，其设备名分别为：macvlan1、macvlan2、macvlan3和macvlan4。

3.3 创建多个基于虚拟网卡的PPPoE连接

在虚拟网卡创建好后，还要针对每块虚拟网卡，创建对应的PPPoE拨号配置文件，设置拨号用户和密码。其具体格式和配置过程可参考相关手册，因此不在此赘述。在正确配置拨号配置文件后，就可通过ifup 命令拨号，在用户认证成功后，PPPoE网关服务器将获得对应的校园网IP地址。本例中获得的4个校园网IP地址如图3所示（出于地址安全原因，图中已将IP地址的前24位隐去）。

3.4 配置策略路由

为实现均衡负载，需要一定的负载策略。基于多路由表的策略路由[7]，是一种灵活而简单的分配方法。

（1）配置交换机B的默认路由。

交换机B是本案例中的楼层核心交换机，其各个VLan间属于直连网络，无需单独配置路由，需要进行配置的是其默認路由。也正是由于默认路由的存在，楼内用户才可访问外部网络。在本案例中，需要将交换机B的默认路由指向PPPoE网关服务器，即默认路由下一跳地址为：192.168.1.253/30。具体的交换机配置命令，因各种设备差异格式各有不同，可查阅相关手册，因此不在此赘述。

（2）配置PPPoE网关服务器的本地路由。

除配置楼层核心交换机的默认路由外，还要为PPPoE网关服务器的主路由表（名称为“main”，表号为254）添加本地网络间的路由。配置本地路由的目的，是为了让其能在之后的NAT过程中，正确地将来自外网的IP包转发到不同内网中。如表2中所示，前往本地的不同网络，其下一跳地址为192.168.1.254/30;即楼层核心交换机（交换机B）的Fa0/23号三层端口的IP地址。

（3）配置PPPoE网关服务器的策略路由表。

配置策略路由的第一步，是要创建多张路由表以对应不同的策略路由规则。在本案例中，需要将流量分担到4条PPPoE链路上，因此需要创建4张具有默认路由的路由表。可使用ip route命令创建路由表，具体参数和格式不在此赘述。本案例中，创建的四张策略路由表表号分别为：10，11，12，13;其默认路由出口，分别为ppp0、ppp1、ppp2、ppp3（如表3所示）。

（4）创建策略路由规则。

策略路由的最后一步，是定义策略规则。路由策略的依据灵活多变，可按照IP包的源地址、目的地址、端口号、协议或报文长度等信息来制定策略进行IP包的转发。在本案例中，将依据IP包的源地址制定路由策略规则。其具体规则如表4所示。

可使用ip rule命令创建策略规则，其具体参数及格式不在此赘述。依据内网源地址的类别数量，本例中共创建了4条规则，规则号从100到103（如图5所示）。

（5）定义NAT规则。

在策略路由配置完成后，还有最后一个步骤，即：配置NAT（Network Address Translation）网络地址转换[8]。这是因为，当来自楼层内网的某个IP包依据路由策略规则经由网关转发时，其IP包源地址仍旧为楼内私有地址，这样的IP包是无法在校园网及公网上传输的。因此，内网的IP包在最后交付校园网前，还需要进行NAT地址转换。被路由分配给某一PPPoE出口的IP包，其源地址要被转换为该出口对应的外部IP地址。

使用iptables命令定义NAT规则。其具体命令格式为：

iptables -t nat -A POSTROUTING -o <转发设备名> -j SNAT --to-source <外部ip地址>

其中，“转发设备名”就是拨号之后得到的PPPoE连接名，如：ppp0，ppp1等。“外部ip地址”就是该PPPoE连接具有的校园网IP地址。

以上全部五个步骤，在实际运用中可通过bash脚本实现，以便于维护和管理。其具体编写过程，则不在此赘述。

3.5 性能测试及结果分析

为验证上述配置是否起到了流量分摊及均衡负载的作用，需要进行有效的性能测试及结果分析。

3.5.1 测试目标

由于Web服务是当前互联网的主要服务形式，因此以Web站点的首页响应时间作为主要的测试指标依据。具体指标包括：（1）Web首页的平均响应时间;（2）Web首页响应时间的用户百分比分布;（3）平均网络吞吐率。

3.5.2 测试方案

测试采用HP LoadRunner 8.0[9，10，11]作为测试工具;为使测试更具有真实性和一般性，选取了一定数量的国内主流门户站点作为目标集合。在测试运行时，每个Vuser的每次Web请求将从目标集合中随机选择一个。测试分为四个等级，分别模拟每个实验室在25、50、75和100并发请求（本案例中共四个实验室，故并發请求总数分别为：100、200、300、400）下的负载情况。

作为对比，测试分为两个步骤。首先，在单条PPPoE连接下的情况下，分别测试四个并发等级下的测试目标;然后，在4条PPPoE连接及配置了均衡负载的情况下，再次测试四个并发等级下的测试指标。

3.5.3 结果分析

（1）Web首页平均响应时间。

如表5所示，当并发用户数在200及以下时，单PPPoE连接与4PPPoE连接间差异不大，平均响应时间均在2秒左右;但当并发用户达到300及以上时，单连接与多连接的差异明显，单连接的平均响应时间达到5s以上，而4连接的平均响应时间仍旧保持在2s左右。

（2）Web首页响应时间的百分比分布。

如下所示，图5～8分别展示了在100、200、300和400并发请求下Web首页响应时间的百分比分布。可以发现，在100并发请求下，单连接和4连接的差异并不明显，二者90%请求的响应时间均在3s以下;在200并发请求下，二者之间出现明显差异，单连接下90%请求的响应时间已经近乎5s，而4连接下90%请求的响应时间仍保持在3s以下;在300并发请求下，二者差距进一步拉大。单连接90%请求的响应时间已经达到10s以上，而4连接下90%请求的响应时间则只在5s以下;在400并发请求下，二者差距显著，单连接下90%请求的响应时间达到了11s以上，而4连接下90%请求的响应时间则继续保持在5s以下。

（3）平均网络吞吐率。

如图9所示，在不同并发数请求下，单连接和4连接在平均网络吞吐率的提升上也有明显差异。随着并发数的增加，单连接平均网络吞吐率从253kbyte/s，提高到479kbytes/s;而4连接的平均网络吞吐率从327kbyte/s，提高到1150kbytes/s。可以看到，4连接下的平均网络吞吐率提升非常显著。

从测试结果的分析来看，在高并发请求负载下，使用多条PPPoE连接能有效保障Web请求响应时间，显著提升网络吞吐率。在提供无缝网络接入的同时，也提高了网络带宽的利用率，改善了用户浏览体验，达到了带宽叠加和负载均衡的目的。

4   结语

综上，通过MacVlan虚拟化技术的应用，实现了BRAS环境下的多PPPoE链路校园网接入。其不仅为用户提供了无缝的网络访问体验，同时还实现了带宽叠加及负载均衡，有效提高了网络服务质量。此外，本案例只是一个简单的技术验证性案例。在实际应用中，还可依据网关服务器的硬件水平和网络带宽容量，进一步增加虚拟网卡及PPPoE连接的数量，并配合以不同的负载均衡策略，以期获得更大的网络性能提升。

参考文献

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