一、对使用者的分析

　　现有网络情况：

　　我校校园网通过光缆已将31座建筑物连通，光缆总长度约15Km，绝大多数楼中实现结构化布线，连入校园网的网络多媒体教室、教学基地、实验室、机房等约有数十个，连网计算机达3000多台 。我校目前出口有2个，一条速率为10M bps，通过光纤接入中国教育科研网CERNET，另一条速率为4M bps连入中国电信。

　　用户的需求：

　　我校校园网的使用者主体为在校学生及老师。根据统计，约80%的用户使用WWW、FTP等资源。我校现有Chinanet ip 126个，不可能分给所有的用户使用。通过架设代理服务器来实现让所有用户使用网络资源是最简单并且相对安全和可靠的方法。通过架设专门的WWW(FTP)代理来满足用户的主要需求，通过架设socks5代理来满足用户的其他需求。

　　二、硬件及软件的选择

　　硬件

　　Cache Server可以是一台普通的PC服务器加上cache软件（如Squid、Inktomi）构成，也可以是软硬件系统和一台专门的cache服务器。根据Chinanet出口的实际情况，4Mbps速率的出口，每秒最大传入数据量为约500K/s。我校主干网节点间为双千兆连接，到达部分实验室是百兆，到达宿舍为10M。送出的最大数据量为约12M/s。传送的数据量不是很大，使用传统的IA32构架服务器既可满足需求。我校网络中心主机房使用机柜来存放服务器。惠普公司的LH6000服务器，具有很强的扩展性，是新型的六路服务器。代理服务器的运算负荷不是很重，对于IO的要求较高。LH6000通过自定义配置可以达到这个要求。通过使用raid可以提高磁盘性能，增加数据的可靠性。代理服务器软件占用内存较大。LH6000可以支持8GB内存。最终选择配置如下：

　　配置

　　处理器:1个100MHz系统总线的Intel Pentium III Xeon 700MHz处理器
　　内存:1G PC-133 ECC SDRAM
　　磁盘控制器:集成具有32MB高速缓存双通道Ultra3 SCSI HP NetRAID控制器
　　附加单通道:Ultra Wide SCSI控制器
　　内置存储:热插拔5x18G半高驱动器
　　网卡:内置INTEL 82559 100M网卡
　　电源:3个热插拔电源

　　RAID使用了RAID5模式，这个模式是向阵列中的磁盘写数据，奇偶校验数据存放在阵列中的各个盘上，允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。这样， 任何一个硬盘损坏，都可以根据其它硬盘上的校验位来重建损坏的数据。

　　软件

　　Squid Internet Object Cache (Harvest Project的後续版本) 是美国政府大力助的一项研究计划。Squid是一个开放源代码的代理服务器软件。它是一个为UNIX系统下运行的全功能的代理服务器软件。它可以为HTTP协议、FTP协议以及其他使用URL方式定位的协议作缓存。它支持客户端使用SSL协议进行数据传送。它可以使用ICP, HTCP, CARP, Cache Digests等协议和方式和其他运行squid的服务器进行协同。它支持SNMP协议，可以用相应的软件来做协调和管理。并且能配置详细的访问控制列表（acl）。

　　操作系统

　　以前学校的代理服务器使用linux作为操作系统。这是因为以前的代理服务器通常还兼作其他的服务器。很多服务器软件是专门为linux开发的，或者在linux上运行的效率最高。Squid本身是为unix-like操作系统开发的。本身对系统没有太多的要求。目前我校Chinanet代理服务器使用的是FreeBSD作为操作系统。

　　没有选择Linux有下面几点原因：

　　Linux的核心部分开发相对比较开放,FreeBSD的核心是由一个严格的core team来完成的。相对检查更加严格。从核心部分比较BSD的内核更加稳定。

　　Linux对高负荷的承载能力不如FreeBSD。对于高负荷下程序出错的容忍力，BSD远强于Linux。
许多著名的网站，如：yahoo, netease 等著名的商业网站使用的就是freebsd,稳定性和性能早已通过很多专家的评测，远远强于Linux。

　　但是Freebsd也有不如Linux的弱点。主要表现在磁盘IO的性能上。这主要是因为Freebsd使用的文件系统—UFS的性能不如linux上使用的ext2/ext3。但是在加上softupdate之后会有很大的改进。而且出国代理上配置的使用raid5模式，磁盘使用高转速scsi硬盘，在上述硬件配置的情况下，读取squid cache的数k大小的小文件使用ext2和ufs+softupdate的效率的差别在万分之一以下。对于负载数千用户的代理服务器来说，可以忽略这样的效率差别。

　　基于以上原因，最终选用Freebsd作为代理服务器的操作系统。

　　三、代理服务器软件的安装

　　squid的安装

　　freebsd本身的ports程序带有squid的稳定版本。目前squid的最新版本是2.4.STABLE6。在freebsd的/usr/ports/www/squid 目录下执行make;make install就会将最新版本的squid代码下载、编译并最终安装到/usr中的相应路径中。

　　Squid本身会被安装到/usr/local/sbin下
　　Squid的cache目录默认为/usr/local/squid/cache
　　Squid的log目录默认为/usr/local/squid/logs
　　squid的配置文件目录默认为/usr/local/etc/squid

　　这样的安装方式比直接使用二进制的package安装要好。因为二进制的package不能保证在自定义的系统上稳定运行。下载源代码代码在本地进行编译之前，首先会校验源代码的MD5 checksum,这样能保证我得到的源代码是未经修改过的版本。然后再在本地进行编译。最后安装到相应目录。

　　Squid的配置

　　Squid的配置文件是squid.conf

　　部分参数的配置如下：(为保证代理服务器安全，部分参数用*代替)

　　http_port 8080 设置http代理端口为8080
　　cache_peer pa.us.ircache.net sibling 3128 3130 login=*:*
　　cache_peer sj.us.ircache.net sibling 3128 3130 login=*:*
　　cache_peer * parent 13280 4827 htcp *:*

　　这几行是使用squid可以和其他几台机器进行协同工作的特性，同几台组成cache_peer。具体设置在后面的优化部分会解释。

 

　　cache_peer_do m ain * .edu.cn设置.edu.cn的域名使用某个cache_peer访问
　　cache_mem 400 MB设定内存cache的大小为400M
　　cache_swap_low 80
　　cache_swap_high 97这两行是设置cache进行替换的闸值。当占用到97%的cache后，cache中的内容将被清空20%。
　　maximum_object_size 20000 KB 最大对象大小为20M.
　　maximum_object_size_in_memory 10000 KB 内存中最大的对象大小为10M
　　ipcache_size 4096 ip对应cache的大小为4096
　　fqdncache_size 4096 域名全称cache的大小为4096
　　cache_replacement_policy heap LFUDA cache替换策略
　　memory_replacement_policy heap LRU 内存替换策略
　　cache_dir ufs /usr/local/squid/cache 25000 16 256 cache存放的路径大小及具体配置

　　dns_nameservers * * * * * 内部指定dns服务器
　　authenticate_program * * 身份认证程序
　　authenticate_children 32 身份认证程序启动的进程数目
　　request_body_max_size 5 MB 最大请求的body大小
　　reply_body_max_size 20 MB 最大回应的body大小
　　acl all src 0.0.0.0/0.0.0.0
　　acl dorm proxy_auth 192.168.0.0/255.255.0.0 REQUIRED
　　acl bjpu proxy_auth 202.112.64.0/255.255.240.0 REQUIRED
　　acl bjpu2 proxy_auth 211.71.80.0/255.255.240.0 REQUIRED

 

　　访问控制列表

　　acl banned_sites {过滤的关键字}
　　http_access deny banned_sites
　　deny_info ERR_BANNED_SITE banned_sites

　　禁止访问违禁站点的设置

　　acl manager proto cache_object
　　acl localhost src 127.0.0.1/255.255.255.255
　　acl SSL_ports port 443 563
　　acl Safe_ports port 80 # http
　　acl Safe_ports port 21 # ftp
　　acl Safe_ports port 443 563 # https, snews
　　acl Safe_ports port 70 # gopher
　　acl Safe_ports port 210 # wais
　　acl Safe_ports port 1025-65535 # unregistered ports
　　acl Safe_ports port 280 # http-mgmt
　　acl Safe_ports port 488 # gss-http
　　acl Safe_ports port 591 # filemaker
　　acl Safe_ports port 777 # multiling http
　　acl CONNECT method CONNECT

　　设置可以连接的端口

　　http_access allow dorm
　　http_access allow bjpu
　　http_access allow bjpu2
　　http_access allow manager localhost
　　http_access deny manager
　　http_access deny !Safe_ports
　　http_access deny CONNECT !SSL_ports
　　http_access deny all

　　允许http访问

　　icp_access allow *允许cache_peer使用ICP协议访问
　　proxy_auth_realm BJPU proxy-caching web server 验证框提示的banner
　　cache_mgr liukange@netease.com cache管理员的电子邮件地址
　　cache_effective_user *
　　cache_effective_group * 执行cache程序的用户uid和gid
　　visible_hostname cnproxy.bjpu.edu.cn cache服务的机器名
　　memory_pools on 内存池设置为打开。
　　memory_pools_limit 50 MB 内存池的大小

 

 

Socks5代理的安装

　　出国代理上选用的socks5代理软件是NEC公司制作的软件。它实际上是一个商业版软件。但是根据它的license文件所述，在非商业用途上使用这个软件是免费的。在RFC-1928对socks5如何运行做了详细的描述。这个标准就是NEC公司的“Ying-Da Lee”和HP及IBM公司制定的。在相应的测试中,NEC公司的这个socks5代理软件的性能是较好的。虽然它有一些安全上的漏洞，但是使用freebsd的ports方式安装，将会自动对源代码打补丁，修正安全隐患。

　　在/usr/ports/net/socks5下执行make;make install就能安装好该程序。相应的文件将被安装在下列目录：

　　socks5可执行文件被放在/usr/local/bin
　　socks5.conf文件被放在/usr/local/etc下

　　bugtraq上曾经提到socks5的密码验证部分有安全隐患，因此没有使用该功能。

　　Socks5代理的配置

　　Socks5代理的配置文件是socks5.conf，内容如下：

　　set SOCKS5_MAXCHILD 8000
　　permit - - 192.168. - (1024,65535) -
　　permit - - 202.112.64.0/255.255.240.0 - (1024,65535) -
　　permit - - 211.71.80.0/255.255.240.0 - (1024,65535) –

　　限制工大可以使用该socks5代理，限制目标端口为1024-65535。设置最多可以有8000个进程运行。

　　配置文件的切换

　　为了避免带宽的浪费，出国代理设置为夜间取消最大下载对象限制。这是是使用crontab来做到的。每天夜间23:30将配置文件切换为没有最大下载对象限制的。每天上午7:30切换回有最大下载对象限制的。

 

　　四、使用情况分析

　　单位时间内流量

　 　 input (total) output
　　packets errs bytes packets errs bytes colls
　　917 0 646248 1015 0 767928 0
　　941 0 667858 1287 0 1548180 0
　　832 0 673330 897 0 836839 0
　　895 0 655289 1067 0 878449 0

　　*以上数据为出国代理负载中等时的数据。

　　Chinanet出口已经被占满，经过cache的作用，送出数据大于进入数据

　　CPU负荷

　　使用top命令看到的CPU的负荷： load averages: 0.72, 0.86, 0.86（1mi,5min,15min），此数据为出国代理负载中等时的数据。

　　Hourly usage

 

　　通过这张图可以清晰的了解出国代理的使用情况。

　　早6时，宿舍通电。出国代理的使用频度增加数倍。
　　早8时，机房、实验室开始开放，出国代理的使用频度近一步增多。
　　上午11时，课程结束，部分学生离开机房、实验室，午餐时间使用频度略微减少。
　　中午13时，下午课程开始，学生离开宿舍，使用频度减少。
　　下午15时，机房和实验室用户增多。
　　下午17时，部分机房、实验室关闭，教师离开学校，造成使用频度减少。
　　晚18-20时，学生去上自习或选修课，使用频度呈减少趋势
　　晚21时-22时，选修课结束，学生回到宿舍，使用频度急剧增加，并且达到每天的最高点。
　　晚23时，部分宿舍断电，实验室断电。使用频度进一步减少。
　　0时-5时，宿舍学生大多已经休息，使用频度程减少趋势。

　　Daily usage

 

　　通过上面可以看出我校Chinanet线路代理服务器每天的使用情况。出国代理的日访问日志在约600M。图中显示出周末，尤其是周日访问量很大。这是由于周末我校宿舍不断电，作为用户主体的学生的使用网络的时间大大增加。对此称为“周末效应”。

　　五、安全保障

　　物理安全的保护

　　供电：该服务器放在我校网络中心主机房，有双路供电。UPS可以保证在没有市电供应下5小时不中断服务。

　　物理隔离：网络中心24小时有专人值班，进入主机房需要登记。

　　服务器软件安全保护

　　操作系统选用了FreeBSD。Freebsd本身几乎没有任何安全漏洞。根据服务最少化原则，出国代理上目前使用的服务有ssh ntp socks5 squid几种。其中ssh没有使用freebsd自带的openssh,而是使用了ssh.com出的非商业版的ssh服务器软件。这个版本的ssh服务器软件相对openssh有更安全效率更高的优势。而且对于非商业应用是免费的。 服务器通过ntp服务与某网络时间服务器进行时间同步，这是为了保证日志文件记录事件发生时间的准确性。另2个为必须提供的代理服务。其余服务没有打开。执行ps命令确认没有任何多余进程。

　　对SYN-Flood及扫描的防护

　　SYN Flood是当前最流行的DoS（拒绝服务攻击）与DdoS（分布式拒绝服务攻击）的方式之一，这是一种利用TCP协议缺陷，发送大量伪造的TCP连接请求，从而使得被攻击方资源耗尽（CPU满负荷或内存不足）的攻击方式。

 
　　TCP协议的三次握手过程是这样的：

　　首先，请求端（客户端）发送一个包含SYN标志的TCP报文，SYN即同步（Synchronize），同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号；
　　第二步，服务器在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示客户端的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认（Acknowledgement）。
　　第三步，客户端也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。假设一个用户向服务器发送了SYN报文后突然死机或掉线，那么服务器在发出SYN+ACK应答报文后是无法收到客户端的ACK报文的（第三次握手无法完成），这种情况下服务器端一般会重试（再次发送SYN+ACK给客户端）并等待一段时间后丢弃这个未完成的连接，这段时间的长度我们称为SYN Timeout，一般来说这个时间是分钟的数量级（大约为30秒-2分钟）；一个用户出现异常导致服务器的一个线程等待1分钟并不是什么很大的问题，但如果有一个恶意的攻击者大量模拟这种情况，服务器端将为了维护一个非常大的半连接列表而消耗非常多的资源----数以万计的半连接，即使是简单的保存并遍历也会消耗非常多的CPU时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。
　　实际上如果服务器的TCP/IP栈不够强大，最后的结果往往是堆栈溢出崩溃。即使服务器端的系统足够强大，服务器端也将忙于处理攻击者伪造的TCP连接请求而无暇理睬客户的正常请求（毕竟客户端的正常请求比率非常之小），从而造成DoS。

 

在freebsd的可以调整的内核参数中有下面2项：net.inet.tcp.blackhole和net.inet.udp.blackhole。相应的描述如下：The blackhole sysctl(8) MIB is used to control system behaviour when connection requests are received on TCP or UDP ports where there is no socket listening. Normal behaviour, when a TCP SYN segment is received on a port where there is no socket accepting connections, is for the system to return a RST segment, and drop the connection. The connecting system will see this as a "Connection reset by peer". By setting the TCP blackhole MIB to a numeric value of one, the incoming SYN segment is merely dropped, and no RST is sent, making the system appear as a blackhole. By setting the MIB value to two, any segment arriving on a closed port is dropped without returning a RST. This provides some degree of protection against stealth port scans.In the UDP instance, enabling blackhole behaviour turns off the sending of an ICMP port unreachable message in response to a UDP datagram which arrives on a port where there is no socket listening. It must be noted that this behaviour will prevent remote systems from running traceroute(8) to a system. The blackhole behaviour is useful to slow down anyone who is port scanning a system, attempting to detect vulnerable services on a system. It could potentially also slow down someone who is attempting a denial of service attack.

　　根据上面描述可以将net.inet.tcp.blackhole和net.inet.udp.blackhole设置为2和1，这样将防止半开式的端口扫描，并且能对syn-flood有初步的防护。

　　在内核的配置文件中有options TCP_DROP_SYNFIN这个选项。通过加入这个参数，可以防止通过TCP/IP堆栈对操作系统进行识别。可以将安全问题中的”information gathering”解决 。

　　六、优化

　　内核的优化

　　FreeBSD有很丰富的可以自定义的内核的参数。默认的内核为了保证通用性和稳定性，有大量优化性能的参数没有加入。

　　我校Chinanet代理服务器操作系统内核部分优化参数如下：

　　options MAXDSIZ="(1024*1024*1024)"
　　options MAXSSIZ="(1024*1024*1024)"
　　options DFLDSIZ="(1024*1024*1024)"
　　options CPU_ENABLE_SSE
　　options PANIC_REBOOT_WAIT_TIME=16

　　前三行是对freebsd下运行的应用程序可以使用的最大的内存资源作限制，默认为128M。由于出国代理服务器软件squid占用内存巨大，默认的配置显然不能满足要求，所以要使用自定义的配置。这个配置允许单一进程占用1G的内存资源。

　　第四行是打开对SSE/MMX2指令集的支持。通过加入这一参数，出国代理的性能提高了约1%。即单位时间内吞吐量增加了1%。

　　第5行是在内核发生严重错误的时候自动重新启动的时间。这个参数保证了服务器出现严重的软件错误后能自动恢复。

　　Cache policy
　　在本文的第三部分中提到了出国代理使用的cache policy。

　　cache_replacement_policy heap LFUDA cache替换策略
　　memory_replacement_policy heap LRU 内存替换策略

　　HP公司曾经对squid作过详细的测试。

　　参考该文档，对我校出国代理作了相应的调整。默认的cache_replacement_policy 和memory_replacement_policy都是LRU。这个算法用在cache上效率相对较低。经过实际测试，使用LFUDA（Least Frequently Used with Dynamic Aging）作为cache replacement policy，cache的命中率最高。使用heap LRU作为memory replacement policy，memory cache命中率最高。使用工具测得加入出国代理后，对使用代理的用户来说，Chinanet的出口带宽达到了5-7M,已经远远高于4M的实际带宽。确实起到了cache的作用。

　　对于磁盘IO的优化

　　前文提到freebsd的磁盘性能不佳。除使用raid技术之外，squid本身有unlinkd 和diskd两个子进程来专门负责对磁盘作操作。配置文件中的cache_dir ufs /usr/local/squid/cache 25000 16 256 这行指定了squid可以使用25G的硬盘空间来作为缓存。Ufs指定了使用unlinkd作为对磁盘做操作的进程。Unlinkd只负责删除文件的操作，diskd负责所有的操作。Squid的相应文档上建议使用diskd。但是经过测试，使用diskd虽然能提高系统的性能，但是会使squid进程变得不稳定。基于保证稳定性的考虑，选择使用unlinkd作为对磁盘操作的进程。

　　Cache peer

　　Squid支持多台服务器进行协同工作，组成cache peer。美国的National Laboratory for Applied Network Research、UCSD、The National Science Foundation建立了相应的cache peer组织(http://www.ircache.net)。我校Chinanet代理服务器将该组织中的2台服务器设置为slibing模式来调用，将我校另外一台cernet线路上的服务器设置为域名以.edu.cn结尾的parent模式。访问过程是这样的：如果客户端提交来的请求是以.edu.cn结尾的，首先查询cache中是否有，如果没有则请求cernet线路上的服务器去读取相应资源。

　　对于其他的域名，则首先查询本身的cache，如果没有则查询slibing的cache,如果还没有，则自己主动去获取该资源。与ircache的协调使用ICP(Internet Cache Protoclol)，与cernet线路服务器协调使用HTCP(Hypertext Caching Protocol)。对ICP的描述在RFC2186、RFC2187，对HTCP的描述在http://icp.ircache.net/htcp.txt。HTCP更有利于提高cache的性能，但是对系统的配置有要求，ICP相对简单。所以，选择使用ICP与ircache的服务器协同工作，使用HTCP与学校cernet服务器协同工作。

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