构建一台大容量的NAT服务器

ippen

构建一台大容量的NAT服务器
Ippen Yang
(ippen@21cn.com)

1．前言
本文档主要描述如何利用Linux构建一台能力比较强的NAT服务器，并发连接数大约16万，流量200M-300M，如果你需要一个流量更高的NAT设备，请考虑购买专业厂商的设备。

2．许可协议
本文的许可协议遵循GNU Free Document License。协议的具体内容请参见http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html。在遵循GNU Free Document License的基础上，可以自由地转载或发行本文，但请保留本文的完整性。

3．准备工作
CentOS 4.6光盘一套（4张CD）

PC服务器一台，P4 CPU，速度越快越好，256M内存（有没听错？没错! 256M内存就够了，如果资金充裕，可以用512M；如果你用1G内存，那叫浪费），2G或以上的硬盘(可以用CF电子盘)

两个高性能千兆网卡，到目前为止，我测试过几种网卡，Intel的PCI-X服务器网卡，Intel的PCI服务器网卡，Marvell PCI-E，3COM，前面三种网卡都不错，反而是3COM的网卡不行。

网卡最好用两个不同的接口，我现在用的主板，通常都是一张PCI-X网卡，一张PCI-E网卡，这样能避免内部接口速度影响转发效率

4．安装
首先安装CentOS，如果考虑编译内核，安装时记住要安装开发工具，因为要调整系统内核模块的一些参数，要编译系统模块。安装时要注意，不要建立交换区，切记！！！原因后面解释
安装完成后，运行setup，在system service中将不需要用的程序全部停止，基本上只需要保留ssh，iptables，network，snmpd，syslog几个，设置完后重新启动服务器。
编辑/etc/sysctl.conf，查找行“net.ipv4.ip_forward = 0”，然后将这行按下面的内容进行更改，原文件中没有的内容请自己添加

# Controls IP packet forwarding net.ipv4.ip_forward = 1 net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_max = 262144 net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_tcp_timeout_established = 300 net.ipv4.route.max_size=2097152 net.ipv4.tcp_window_scaling=1 kernel.shmmax=268435456 kernel.shmall=268435456

编辑/etc/rc.local如下：

#!/bin/sh touch /var/lock/subsys/local /root/nat

编辑/root/nat如下：

# eth0 is internet interface # eth1 is intranet interface INCOMING=eth0 OUTGOING=eth1 ip addr add 222.222.222.8 dev $OUTGOING ip addr add 222.222.222.9 dev $OUTGOING ip addr add 222.222.222.10 dev $OUTGOING ip addr add 222.222.222.11 dev $OUTGOING IPPOOL=222.222.222.8-222.222.222.11 iptables -t nat -F iptables -t nat -A POSTROUTING -s 内部IP地址/子网 -o $OUTGOING -j SNAT --to $IPPOOL iptables-save -c >/etc/sysconfig/iptables

注意，这里假定互联网IP是222.222.222.8-222.222.222.11（上面黑色字体），请用真正使用的IP范围将黑色字体替换。内网地址也请根据实际环境变更。这个脚本只是NAT用，如果需要增加安全策略，请参考其它的iptables的脚本。
如果服务器的CPU是双核的，编辑/etc/grub.conf

#boot=/dev/sda1 default=1 timeout=1 #splashimage=(hd0,0)/boot/grub/splash.xpm.gz hiddenmenu title CentOS-4 i386 (2.6.9-34.ELsmp)         root (hd0,0)         kernel /boot/vmlinuz-2.6.9-34.ELsmp ro root=LABEL=/         initrd /boot/initrd-2.6.9-34.ELsmp.img title CentOS-4 i386-up (2.6.9-34.EL)         root (hd0,0)         kernel /boot/vmlinuz-2.6.9-34.EL ro root=LABEL=/         initrd /boot/initrd-2.6.9-34.EL.img

将服务器调整为单核方式运作，为什么？之前与CU的高手讨论过这个问题，也进行过测试，单核方式下运行的NAT效率的确比双核高，也更稳定，所以只用单核，不过现在只能买到双核的CPU，只好浪费一点了。

5.高级配置

由于linux系统内部的一些参数在NAT环境中并不合理，因此在一些情况下需要作些修改，由于涉及内核，建议不熟悉的朋友忽略这个部分。

这部分的调整对系统的优化有限，如果你的并发连接数不是非常高，也可以忽略这个部分。

首先下载linux的内核源文件，请上http://mirror.be10.com下载，下载后解包到硬盘中。

系统调整主要是三个默认的参数，参数buckets、ip_conntrack_max和tcp_timeout_established。

参数tcp_timeout_established 位于文件net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_proto_tcp.c中，用vi打开文件，查找

unsigned long ip_ct_tcp_timeout_established = 5 DAYS;

原来的tcp_timeout_established是5天，这个数值太大了，很容易造成内存过度占用，导致系统死机，将其改为如下，

unsigned long ip_ct_tcp_timeout_established = 5 MINS;

参数buckets、ip_conntrack_max位于文件net/ipv4/netfilter/ip_conntrack_core.c中，用vi打开文件，查找如下的一段代码，可以看出，系统默认的buckets数值是内存数的1/16384，ip_conntrack_max是buckets的8倍，即时你有大于1G的内存，buckets也只是8192。

/* Idea from tcp.c: use 1/16384 of memory. On i386: 32MB * machine has 256 buckets. >= 1GB machines have 8192 buckets. */ if (hashsize) { ip_conntrack_htable_size = hashsize; } else { ip_conntrack_htable_size = (((num_physpages << PAGE_SHIFT) / 16384) / sizeof(struct list_head)); if (num_physpages > (1024 * 1024 * 1024 / PAGE_SIZE)) ip_conntrack_htable_size = 8192; if (ip_conntrack_htable_size < 16) ip_conntrack_htable_size = 16; }

调整可以在这段代码后面直接对buckets和ip_conntrack_max赋值即可

/* Idea from tcp.c: use 1/16384 of memory. On i386: 32MB * machine has 256 buckets. >= 1GB machines have 8192 buckets. */ if (hashsize) { ip_conntrack_htable_size = hashsize; } else { ip_conntrack_htable_size = (((num_physpages << PAGE_SHIFT) / 16384) / sizeof(struct list_head)); if (num_physpages > (1024 * 1024 * 1024 / PAGE_SIZE)) ip_conntrack_htable_size = 8192; if (ip_conntrack_htable_size < 16) ip_conntrack_htable_size = 16; } ip_conntrack_htable_size = 32768; ip_conntrack_max = 8 * ip_conntrack_htable_size;

参数改好后，编译modules，然后用编译后产生的文件ip_conntrack.ko代替系统中的同名文件（位于/lib/modules/2.6.9……），重新启动即可。

调整内核参数buckets的效果不是特别明显，在初始测试中，使用默认的buckets数值，但并发连接数到12.8万时，CPU的使用率有明显上升，稳定性变差，调整buckets数值后并发连接数能到16万，但流量上升不多，所以对系统编译不熟悉的朋友不必考虑这个方法，增加一台服务器就是了。

常见问题

Q．服务器空载时速度很快，但一加载流量就有明显的丢包，并且只有几兆流量，但实际流量远远不止几兆

A．请检查网线以及交换机端口、linux服务器网卡端口的全双工、半双工状态，用ethertool，这个现象非常明显和常见，通常都是全双工、半双工匹配问题。

Q．我的网内有2千用户，要什么样的服务器才能正常运作？

A．其实完全不必关心又多少用户，关键是系统的并发连接数，系统并发连接数最好不要超过16万并发连接数，超过了系统会有些不稳定，所以建议连接数高的用户采用增加服务器的方式。
目前的优化只能到这个程度了，如果有更好的优化方案，我会第一时间高诉各位的。

Q．使用更快的CPU和更大的内存能否提高并发连接数？

A．开始我也这样认为，但实际测试中，发现这个观点完全错误，NAT使用的内存量比较固定，我监测的结果，基本上在200M左右，所以在开始建议大家买的内存也是256M而已，更快的CPU对NAT是有帮助，但随着并发连接数的增加，NAT的效率越来越低，反而效果更差。

Q．是否一定要将互联网IP设置到OUT网卡上？

A．不一定，但这样设置，NAT服务器的CPU利用率会明显降低，强烈建议这样配置。

Q．为什么不使用交换区？

A．这个服务器只是用于NAT，不是代理服务器，为了提高NAT转发速率，就要完全避免读写硬盘，而物理内存使用完了后，系统就会使用交换区来存储数据，整个服务器速度就会被拖慢，直至死机。因此在这里完全不要使用交换区。

Q．其他linux版本能否使用？

A．Sure，推荐CentOS主要是方便不熟悉Linux系统的朋友，避免朋友们盲目地找不同的linux版本测试。这里仍然强调一下，使用2.6的内核，不要使用2.4内核，2.6的内核能查看并发连接数，并且NAT效率比2.4高。

Q．为什么我的NAT服务器不行？

A．这个问题很复杂，我现在回答不了^_^,请上CU的论坛(http://bbs.chinaunix.net)发帖子。发邮件给我的话，就要有点耐心等回复了

感谢

所有在CU的朋友，特别是Platinum和JohnBull，给我提出很多有用的参考意见。

[ 本帖最后由 ippen 于 2008-7-7 23:38 编辑 ]

ippen

其实这个帖子去年就写好了，因一些个人原因，一直没有发布，现在将做过的测试总结一下，希望能帮助有需要的TX

[ 本帖最后由 ippen 于 2008-7-7 21:39 编辑 ]

platinum

谢谢 ippen 的激情奉献！
不过我对里面的几个地方有些疑问，还请多指教 ^_^

1、盲目加大 net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_max 会有副作用吗？
经过测试发现，如果 iptables 里面加了过多规则的话，max 数量过大，连接数非常多的时候会造成内存溢出，不知道 ippen 是否遇到过？

2、修改 buckets 数量是否有效，是否有副作用？
代码里如果 > 1GB 就分配一定数量的 buckets，（我的内核 2.6.23 是 16384）
这个改大会减少 hash 表碰撞，但是过大会有多大用处不是很清楚，不知会不会溢出（内存小于 1GB 的时候也赋值为 8192）
另外不知道内核为什么在内存 > 1GB 的时候写死，而不是根据内存继续算下去

3、不知道 ippen 兄是否用 sar 观察过每秒的包数

4、不知道当时测试时 iptables 的规则数量有多少，除了 NAT 以外是否还做了繁重的过滤工作


去年 ippen 兄写了一篇关于 iptables 不能完美支持双 CPU 的贴子，从中就提到了大负载状况的 NAT 架设，一直很感兴趣，今日又见此大作，万分高兴：）

[ 本帖最后由 platinum 于 2008-7-7 22:03 编辑 ]

dbsrv

又长见识了，测试一把

ippen

原帖由 platinum 于 2008-7-7 22:01 发表
谢谢 ippen 的激情奉献！
不过我对里面的几个地方有些疑问，还请多指教 ^_^

1、盲目加大 net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_max 会有副作用吗？
经过测试发现，如果 iptables 里面加了过多规则的话，max 数 ...

哈哈，platinum兄的记性真好

对于platinum兄的问题，我尽量回答，因为有些问题我也是同样存在疑问的

1.加大 net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_max 确实会有副作用，规则过多造成内存溢出的问题我遇到过，控制这个值的大小能避免内存溢出。目前这个数值是经过我测试，认为设备能够承受的，实际使用中也能到达这个最大值，系统也是正常的。
2.修改buckets的大小作用似乎不明显，增大一些，系统的稳定性要好一点，副作用目前还没发现。源代码里，内存〉1GB，将buckets写死为8192（centos 4.6内核），我也不知道是什么原因，也想找个高手了解一下。我推断可能是一个系统设计的考虑，即Linux不只是用作网络用途，所以要保留内存给其他应用，和限制网络部分使用内存量，基于我的使用方式，完全只作为网络设备使用，让网络占大部分内存应该是可行的。当然，只是我的猜测而已，希望有高手能回答这个问题。
3.sar没有用过
4.目前使用的NAT服务器，大约有50条规则，30条在forward表，20条在postrouting表，主要都是针对ip地址的accept和drop,设备只做nat,没有其他繁重的过滤工作

补充一点，上面提到的这些参数，都是通过实际使用总结出来的，现在nat服务器仍然在运行。在实际使用中，服务器达到的最大值是：320Mb/s的nat流量，最大并发连接数26万，这个数值在应用中基本上维持了2个月，系统基本稳定，但后来我认为这个数值过分接近极限，出现突发流量时会出现假死现象，所以将流量和并发连接数下调了。
现在在nat系统中，唯一不好处理的就是突发小包冲击，容易导服务器cpu过高，出现假死现象。

有空看能不能找到当时最大值的MRTG图贴给大家看看

[ 本帖最后由 ippen 于 2008-7-7 23:41 编辑 ]

ssffzz1

首先感谢IPPER的大作。但是我也有如下疑问：

1、并发连接数大约16万。这个测试过吗？外网的地址池配置了几个地址啊？
2、后来IPPER说最大并发连接数达到26万，这个又是怎么计算出来的哦。

sxqw

学习中。。。。。。

以前参考过这篇文章
http://www.wallfire.org/misc/netfilter_conntrack_perf.txt

独孤九贱

原帖由 ippen 于 2008-7-7 21:36 发表
构建一台大容量的NAT服务器
Ippen Yang
(ippen@21cn.com)

1．前言
本文档主要描述如何利用Linux构建一台能力比较强的NAT服务器，并发连接数大约16万，流量200M-300M，如果你需要一个流量更高的NAT设备，请 ...

对于大容量NAT服务器，发表一下个人看法，仅供大家拍砖。

1、主要思路还是加大hash表容量，缩短连接超时时间等等——因为剩下的就是优化hash表的建立、查找算法等等了，但是这些不是使用者做的，希望Netfilter的开发团队在性能方面下点功夫（曾经我有想过，利用网络访问的亲和性的特性，加一个cookie表，不过一直没有时间来尝试）；

2、Netfilter对于大容量，例如楼主说的16W，表现确实不太好。因为连接跟踪的效率的确不咋样，再加上NAT，雪上加霜。快速解决方法之一就是提升硬件配置。唉……

3、我用双/多CPU（核），想过一个网卡绑死一个CPU（因为中断亲和性的问题），不知能不能进一步提升效率。想过，但是还没有试过。

3、个人认为，像BSD那样，NAT不依赖于连接跟踪的实现而单独实现，也就是说，单使用NAT，不使用连接跟踪，只有想用的时候再用，我想肯定会大大提升NAT的转发效率的。

4、网上有很多对比Linux/BSD/Windows做网关时的网络性能的，我认为大都不太公平——因为Linux是使用了连接跟踪的，单是开这一项，性能下降30%-40%（在我的测试环境中）。

[ 本帖最后由 独孤九贱 于 2008-7-8 12:07 编辑 ]

platinum

问一下九贱兄
对于 TCP 来说，超时就意味着不再维护它的 seq，这里就不说了，说说 UDP
如果 udp 的 timeout 设置过小，的确 conntrack 表不会有过多 udp 信息存留，但对于 NAT 有什么负面影响吗？
换言之，netfilter 的 timeout 判断时间小于实际 app 的时间的话，netfilter 会不会判断失误而惘做处理？

[ 本帖最后由 platinum 于 2008-7-8 13:32 编辑 ]

skylove

参看一下，看各位讨论~~~