OpenUOM的按需连接实现

写于2013/12/08

万恶的心跳！只是证明自己还活着...
为何不能到有事情来的时候再做，没事情时就休息呢？何必一直保持心跳呢？
上帝按照自己的形象，造出了人，人按照自己的喜好，造出了计算机，计算机也都有心跳。操作系统靠时钟中断这种心跳来推进机器的时间，然而后来Linux实现了NOHZ，即没有事情的时候，不再无谓地触发时钟中断，而是彻底halt，有事请来的时候，其它的中断会将机器唤醒，继续心跳。这种nohz机制节省了资源，最小化了bug触发率。
       IPSec UOM完全是按需连接的，隧道模式下，如果数据包过来，匹配到了加密策略，那么就看加密隧道有没有建立，如果还没有建立，则触发IKE协商，如果已经建立了，则直接通过隧道传输数据，当然IPSec也可以使用万恶的心跳...
       心跳保持的UOM长连接有几个问题，第一，如果收不到心跳，隧道就要被迫断开一次，这种断开事件会被审计为一次异常事件，因为按照正常看来，既然要保持长连接，那它就不应该断开，现在断开了，那是不应该的。第二，对于那种带宽属于稀缺资源的环境，心跳报文会占用可观的资源，比如3G用户，在没有实际数据传输的情况下，发送的心跳报文将是完全的浪费。
       UOM为何要保持长连接呢？难道随用随连不好吗？隧道的长连接难道仅仅为了展示自己是一个基础设施吗？对于网到网拓扑来讲，这可能是真实的，但是对于终端用户而言，长连接基础设施反而意味着压力，因为终端用户要为心跳报文买单。OpenUOM是一种高度灵活的UOM，它的灵活性以及好处在于你如何使它和外界关联配合，而不在于它本身！记住这一点非常重要！
       OpenUOM也可以实现按需连接，即没有数据的时候隧道断开，有数据来的时候创建隧道，并且在持续一段时间没有数据的时候再次断开隧道。这些事件中，除了”持续一段时间没有数据的时候再次断开隧道“这个功能(--inactive参数)是OpenUOM本身的功能外，其它的都需要外部的协助，首先我们要考虑的是，如何按需创建连接。
       通过iptables识别什么是”需要通过OpenUOM加密传输“的数据，识别到了以后，必须”堵住“该数据，直到隧道建立后再将它放行，堵在哪里呢？当然是堵在队列里面，如果隧道建立的时间比较久，那队列无疑会满掉，此时丢弃新来者是迫不得已的行为。有了此大方向，接下来就是具体的方案。在Linux上，几乎什么东西都不需要自己重做，以上这个功能可以通过iptables的QUEUE来实现，该target将数据包queue，用户态进程read这些排队的数据包到用户态，然后...
       然后该进程可以直接将包重新注入回内核，也可以在注入之前先去建立OpenUOM隧道，隧道建立以后再注入数据包，既然此时隧道已经建立了，路由规则该添加的也添加了，那么后续的数据包就不需要再QUEUE到用户态了，这个又是怎么实现的呢？还好，Netfilter有一个addons扩展，扩充了iptables的功能，我们需要的就是一个叫做condition的模块，该模块的使用使得多条iptables规则之间可以完成很多复杂的控制逻辑，如下一条：
iptables -t mangle  -A PREROUTING -d 192.168.1.1/32 -m condition --condition "UOM"  -j QUEUE
它的意思就是只有在UOM这个condition变量的值为1的时候，发往192.168.1.1的数据包才会去排队，否则就直接匹配下一条规则，不会被排队。到此为止，所有的准备工作基本就绪，剩余的工作即是如何把这一切拼接在一起形成方案。为了快速说明问题，我就不再使用OpenUOM举例了，我用一种等价的方式说明问题：
只有当到达192.168.1.1的数据包来的时候才建立其明细路由，持续没有到达192.168.1.1的流量5秒钟后删掉该明细路由。
这个足以说明问题了，它足够简单。虽然说即使它这么简单，最终还还是偷了懒，没有实现完全。首先添加上面列举的那条iptables规则，然后创建一个用户态进程，代码如下：

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#include <linux/netfilter.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <libipq.h>
#include <stdio.h>
#include <libnetfilter_queue/libnetfilter_queue.h>
#include <linux/ip.h>
#include <signal.h>

#define BUFSIZE 2048
static int condition = 0;

void condition_handler(int num)
{
        if (condition == 1) {
                condition = 0;
        } else {
                condition = 1;
        }
}

int main(int argc, char **argv)
{
        int status;
        unsigned char buf[BUFSIZE];
        struct ipq_handle *h;
        signal (SIGUSR1, condition_handler);
        h = ipq_create_handle(0, 2/*PROTO_IPV4*/);
        status = ipq_set_mode(h, IPQ_COPY_PACKET, BUFSIZE);
        do{
                status = ipq_read(h, buf, BUFSIZE, 0);
                switch (ipq_message_type(buf)) {
                case IPQM_PACKET: {
                        ipq_packet_msg_t *m = ipq_get_packet(buf);
                        size_t data_len = m->data_len;
                       //读取到有数据包后，触发执行启动UOM脚本的命令
                        system("/home/zhaoya/start_UOM param1 param2 paramX");
                       //等待start_UOM命令执行完毕，它会建立UOM隧道，建立完成发送信号给该进程
                        while(!condition) {
                                pause();
                        }              
                       //成功建立隧道以后，将数据包原封不动地重新注入回去
                        status = ipq_set_verdict(h, m->packet_id,
                                NF_ACCEPT, data_len+sizeof(struct iphdr), (char*)m->payload);
                        break;
                        }
                default:
                        break;
                }
        } while (1);
        ipq_destroy_handle(h);
        return 0;
}

上述程序很简单，逻辑上它就是读取queue的数据包，然后触发命令建立隧道，建立好隧道后，发送信号给进程，进程接着将数据包重新注入。隧道建立好以后，还需要修改UOM这个condition变量的值，使后续的数据包不再queue，如此策略化的事情用脚本封装是比较好的选择：

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#!/bin/bash
# 模拟创建隧道，添加一条路由
ip route add 192.168.1.1/32 via 172.16.49.88
echo 0 >/proc/net/nf_condition/UOM
killall -SIGUSR1 queue

# 模拟5秒没有流量
sleep 5;

# 模拟断开隧道
ip route del 192.168.1.1/32
echo 1 >/proc/net/nf_condition/UOM
killall -SIGUSR1 queue

经过测试，效果非常不错！但是那个用户态进程实在需要再润色润色啊。
       最后,我觉得最重要的不是如何想出解决问题的办法，而是想出如何验证你的解决方案是正确的方法，在你不可能实际证明的时候，或者当你实际证明要付出很大代价的时候，就要想出模拟的办法。但是很多人只是闷头做自己擅长的事情，如果模拟不了15454500053535300042453535004343535350043534647430043532578053535353005330535305454636365363530046464640535353500个用户，他们就要想办法模拟146560053353666535005353535305463320465479024214794546424235364657007684000646465789032558970032646320053646758320个用户，精确本身没有错，错在知道精确的尺度和粒度以及层次更加重要。
       不要认为什么东西都可以通过“设置”解决，远远不是！你需要的是：删除！

最后

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