基于报文类型的限速值动态调整

张俊芳

摘要：网络设备为应对网络攻击报文对设备控制面的冲击，通常会对业务报文做限速以保护正常业务，每种业务报文通常有个默认的限速值，但是当前面临的问题是，默认的限速值通常不能满足不同业务场景需求，经常需要人工调节报文的限速值。本文提出了一种系统动态调整业务报文限速值的方法，可以匹配不同的场景，自动调整报文限速值，减少人工干预。

关键字：网络攻击;动态调整;报文限速;设备丢包

引言

随着网络技术的不断发展，网络攻击者们对网络中的设备进行攻击的成本极大降低。网络攻击的事件时时发生，其中拒绝服务即常说的DoS（Deny of Service）会对设备系统和资源进行攻击，以达到破坏正常服务的目的。为了保护设备控制平面的安全，基本网络中各个路由设备都具备一定的防攻击能力，其中根据业务报文类型对上送报文进行限速是比较常见的一种，每种报文类型都会根据经验设置默认的限速值。

但是应用在网络中，经常会遇到默认的设置不能够满足现网要求，需要人工进行调节的情况。比如某类业务丢包严重，导致业务严重受损，需要人工调高报文限速值;或者控制面繁忙，为防止业务报文对系统的攻击，需要人工调低报文限速值;或者不同接口的限速值比较低，但是叠加后设备总的报文速率很高，导致控制面繁忙，需要人工调低限速值等等。不同的场景需要不同的操作，非常不智能，而且非常考验设备管理员的经验。这种依赖人工的操作，及时性无法保证，一旦没有及时发现设备异常，就会导致不同情况下的业务受损或者设备处理异常。

为了解决人工干预调节带来的及时性和易用性问题，设备动态调整业务报文限速值的方案应运而生。动态调整报文限速值是参考人工调节的模式，代替人工对设备进行报文限速值的调整。根据设备的运行情况，自动识别和计算报文限速值，自动进行调节。

动态调整业务模型：

动态调整业务报文限速值，是有一个调整中枢负责监测各种报文的丢包情况以及相关进程的CPU运行情况，根据策略对报文理想的限速值进行计算，判断是否需要调整，如果需要调整，则动态调整当前报文的限速值，系统按照调整之后的限速值生效。

动态调整准备：

1、划分报文优先级

将各种报文类型根据业务的重要程度划分为三种优先级：高优先级、中优先级、低优先级。重要不能受损的业务报文优先级为高优先级，次重要可以轻微受损业务的报文优先级为中优先级，可以受损业务的报文优先级为低优先级。不同优先级的报文制定不同的处置策略。在设备处理能力有限的时候，优先降低低优先级报文的限速值，保证高优先级报文的处理。

2、划分进程状态等级

将进程的运行状态根据CPU的利用率情况划分为三个等级。分别为安全状态、预警状态和危险状态。CPU空闲，可以承接更多的业务处理时，进程状态为安全状态;CPU较忙，尽量不再承接更多的业务处理时，进程状态为预警状态;CPU繁忙，已经快到处理能力的极限，需要减压时，进程状态为危险状态。

可以设定预警阈值和危险阈值，CPU利用率未到达预警阈值，进程状态为安全状态;当CPU的利用率达到预警阈值时，进程状态为预警状态;当CPU的利用率达到危险阈值，进程状态为危险状态。为防止状态震荡，进程状态向更安全状态跃迁时，应设置防震荡阈值调整。当进程CPU利用率从危险状态下降到预警状态时，不立马进行状态跃迁，而是再下降一个防震荡调整值后再进行状态跃迁。从预警状态到安全状态的跃迁也一样。如下图所示。

调整中枢实时监测各个进程CPU的利用率情况，根据进程不同的状态执行不同的调整策略。对于进程的状态监测，可以采用多次采样然后取平均值的方式来减少扰动。

3、绘制报文路径图

针对每一种报文类型，绘制一张报文路径图，监测报文路径上的每一个进程的运行状态。

动态调整策略：

（1）进程危险状态

当控制面处理繁忙时，需要对业务报文限速值进行降低，保障进程安全，同时保障高优先级报文能够正常处理以保障重要业务不受损。对于任何一个进程繁忙时，查询报文路径图，对于流经该路径的所有报文执行CPU保护策略，调整中枢根据报文优先级动态调整这些报文的限速值。

进程处于危险状态时，高优先级报文应以默认限速值放行保障业务，中优先级报文稍微降低限速值，低优先级报文调低限速值给高优先级报文让行。

但是如果某种报文类型有持续丢包，则认为此种报文类型存在攻击情况，导致了CPU冲高，应将此种报文类型的限速值调低，保障控制平面安全。

（2）进程预警状态

当进程处于预警状态时，如果高优先级的报文有丢包，可以调高限速值以保障业务，中优先级报文调整为默认值，低优先级报文限速值微降以保障控制平面安全。

（3）进程安全状态

当进程处于安全状态时，如果报文有丢包，可以适当调高报文的限速值，來保障业务正常运行。高优先级、中优先级和低优先级报文都可以调高限速值。

业务报文有丢包时，取最近时间段的丢包计数和当前的限速值，根据PID算法，计算报文理想速率，动态调高业务报文的限速值，尽量减少丢包带来的业务影响。但是需要设置调高的最大值限制，避免限速值过大。

如果连续多次的采样，业务报文都没有丢包，并且进程都处于安全状态，就没有必要维持调整的值，需要逐步回归系统设定的默认值。

（4）死区调节和防震荡

由于数学运算结果下，即使发生较小的偏差也会对报文限速值进行重新计算和更新，但是报文的限速值实际上是不希望频繁进行更新的。所以需要设定调整的幅度，在计算出来的报文限速值变化较小未超过设定幅度时，不进行调整，防止报文限速值频繁进行更新。

由于丢包导致报文限速值需要调高，或者持续没有丢包需要将报文限速值恢复默认值时，为防止报文限速值骤变影响业务或者影响进程状态，限速值的调节需要谨慎一些。对报文限速值的向上和向下调整均采用步进调节的方式，在每个调整周期控制调整幅度，一步一步平稳调整到计算的值，防止限速值突然变化很大对系统或者业务的冲击。

（5）人工干预

动态调整是模拟人工代替人工调节的模式，对于有的报文类型有人工配置了限速值的场景，则不进行动态调节，优先使用人工配置的数值，保证配置的数值可以生效。

动态调整报文限速值主要有如下优势：

（1）尽量保证业务正常

网络中经常有某类业务由于限速丢包，导致业务受损。动态调整报文限速值，可以在CPU资源有空余的时候，自动识别各类报文的丢包情况，根据报文的优先级，动态调高报文限速值，保障某类报文突发增长时，不因为报文限速原因造成报文丢弃而影响该业务的正常运行。

（2）高优先级业务得到保障

对于某些特殊场景，比如业务割接，突然有大量新业务接入，导致设备CPU冲高，影响到已经在线业务时，可以根据不同业务报文的优先级，动态调低新业务的报文限速值，保障已在线业务的正常运行。

（3）保障控制平面安全

可以实时监测控制面各个进程的运行情况，将控制面的状态进行等級划分，根据不同的状态等级，执行不同的策略，调整影响该进程运行的报文的限速值，以减轻控制面的处理压力，防止控制面异常。

（4）设备调整更实时

实时监测并动态调整设备各种业务报文的限速值，应对不同的业务场景或者攻击手段，设备可以做到自适应。减少人工干预，而且可以更及时的发现并处理各种异常，保障异常情况下系统和业务的正常运行。

结语

动态调整设备的业务报文限速值，通过监测系统运行状态与业务受损状态，利用PID算法，计算出业务报文的理想速率，根据业务的重要程度，采取不同的策略，将设备的业务报文限速值自动调整到既保证控制面安全，又保障业务正常的参数。并且可以在设备状态以及业务稳定的场景，自动回归默认设置。

通过设备的动态调整机制，从整体上提高了系统的可靠性和稳定性，解决了设备的默认限速值参数无法满足所有场景的问题。一方面能够保证攻击场景下设备控制面的正常运行，另一方面能够在保证设备控制面正常的情况下识别业务受损场景，通过调节业务报文的限速值，保障业务报文的通行，使业务尽量不受损。

系统的自动调节也让设备更智能，将自身调整到最合适的运行状态，降低了不同业务场景对人工的依赖，也让设备能够更及时的应对各种攻击以及异常。