五分鐘技術(shù)趣談 | 場景寬帶的底層由來

作者：樂昂霖，單位：中國移動智慧家庭運營中心

隨著學(xué)術(shù)交流、即時游戲、移動端實時音頻等高度依賴網(wǎng)絡(luò)使用的場景愈發(fā)豐富，對網(wǎng)絡(luò)在不同場景下的加速需求催生了場景寬帶。從本質(zhì)上來說，場景寬帶就是為普通的網(wǎng)絡(luò)提供了一系列加速服務(wù)，本文將淺談網(wǎng)絡(luò)加速服務(wù)需求出現(xiàn)的底層原因。

Part 01●??QoS服務(wù)?●

國內(nèi)的運營商網(wǎng)絡(luò)一般都會提供QoS。QoS指的是網(wǎng)絡(luò)利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，以提供更好的服務(wù)能力來支持特定的網(wǎng)絡(luò)通信。它是一種網(wǎng)絡(luò)安全機制，旨在解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題。簡單來說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁堵時，運營商會優(yōu)先處理重要的流量包，而將一些不重要的包丟棄。具體丟棄哪些包則取決于使用場景和運營商的策略。

對于受到QoS限制的用戶而言，可能會出現(xiàn)以下表現(xiàn)：網(wǎng)速降低、丟包、ping值不穩(wěn)定。在這種情況下，細分場景用戶往往希望進一步獲取更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以滿足場景使用，例如更高的帶寬、更少的丟包和更低的延遲。

需要注意的是，QoS并不區(qū)分TCP和UDP。對于UDP來說，除了常規(guī)的QoS限制，還可能存在更嚴(yán)格的限制，甚至在某些極端情況下會屏蔽UDP。這主要是因為UDP的無連接、無狀態(tài)、支持廣播和最大努力傳輸?shù)忍匦允沟镁W(wǎng)絡(luò)運營商控制UDP的成本較高。

Part 02●??游戲場景下TCP與UDP的區(qū)別?●

通常情況下，為了確保游戲的實時性，使用UDP進行網(wǎng)絡(luò)傳輸是常見的做法。例如，在射擊游戲中，當(dāng)角色在行走時遇到網(wǎng)絡(luò)卡頓，畫面會卡住，但當(dāng)恢復(fù)后，畫面中的角色已經(jīng)跳到下一個位置，仿佛跳幀了一般。這是UDP的特性，它盡最大努力進行傳輸，允許丟包。

相比之下，如果使用TCP，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)卡頓時，你會發(fā)現(xiàn)游戲畫面暫停，角色像卡在幻燈片上一樣逐幀向前移動。這是因為TCP是面向連接的，丟失的包會被重傳，確認后才會繼續(xù)進行。當(dāng)然，游戲中不僅僅使用UDP、TCP，更高層的協(xié)議如HTTP也可能被使用，這完全取決于游戲?qū)ρ舆t的要求。

Part 03●??TCP與UDP的場景選擇?●

那么在不同的使用場景中究竟是使用UDP還是TCP呢？

如果是客戶端間歇性發(fā)起無狀態(tài)查詢，并且偶爾的延遲是可以接受的（例如查詢學(xué)術(shù)論文、參考信息等），那么可以考慮使用HTTP/HTTPS。

如果客戶端和服務(wù)器都可以獨立發(fā)包，但偶爾的延遲是可以容忍的（例如在線紙牌游戲、許多MMO游戲），那么可以考慮使用TCP長連接。

如果客戶端和服務(wù)器都可以獨立發(fā)包，并且無法容忍延遲（例如大多數(shù)多人動作游戲、一些MMO游戲、直播互動等），那么考慮使用UDP。

在訪問一些國外學(xué)術(shù)網(wǎng)站、游戲服務(wù)器時，直接連接效果可能不佳，因此需要使用場景寬帶來實現(xiàn)優(yōu)化效果。以游戲為例，因為游戲通常使用UDP進行傳輸，而普通的運營商網(wǎng)絡(luò)對UDP會產(chǎn)生較大的干擾，所以場景寬帶需要對游戲客戶端與代理服務(wù)器之間的連接進行一些處理。

Part 04●?UDP協(xié)議的QoS問題?●

每次UDP套接字發(fā)送數(shù)據(jù)包時，源端口會隨機變化。如果一個設(shè)備頻繁發(fā)送UDP包，會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的五元組（源IP地址、源端口、目標(biāo)IP地址、目標(biāo)端口、協(xié)議）。傳統(tǒng)的狀態(tài)防火墻和狀態(tài)NAT會使用一個五元組來跟蹤一個連接。如果連接數(shù)量過多，會給保存狀態(tài)的設(shè)備帶來巨大壓力。

這種壓力主要體現(xiàn)在兩個方面：存儲壓力和處理器壓力。

存儲壓力指的是設(shè)備需要配置大量內(nèi)存來保存大量連接。

處理器壓力指的是設(shè)備在數(shù)據(jù)包到達時需要花費更多時間匹配連接。

由于UDP協(xié)議的無狀態(tài)特性，沒有任何報文指示何時創(chuàng)建或銷毀連接，設(shè)備必須能夠自行老化已創(chuàng)建的UDP連接，并在權(quán)衡中做出決策。如果老化時間過短，會破壞通信頻率較低的UDP連接。如果老化時間過長，將會導(dǎo)致無效的UDP連接消耗大量內(nèi)存，為DDoS攻擊提供攻擊面。攻擊者只需構(gòu)造不同的UDP五元組的報文通過狀態(tài)設(shè)備，由于UDP報文沒有連接創(chuàng)建或銷毀的控制信息，狀態(tài)設(shè)備不得不對待所有新到達的五元組，并為它們創(chuàng)建連接并指定相同的老化時間。

而TCP協(xié)議與此完全不同，由于具有syn、fin、rst等控制信息，狀態(tài)設(shè)備可以為不同狀態(tài)的TCP連接指定不同的老化時間，ESTABLISHED狀態(tài)的連接老化時間明顯更長。這使得使用TCP實施同樣攻擊更加困難。為什么快速構(gòu)造不同的TCP五元組無法達到UDP的效果呢？如果盲目使用不同源端口發(fā)送syn，沒有真正的對端回應(yīng)的情況下，這種連接狀態(tài)將很快老化（在10秒甚至更短的時間內(nèi)）。如果構(gòu)造大量使用不同端口的真實TCP連接，那么除了給狀態(tài)設(shè)備帶來傷害外，攻擊者自己也必須付出巨大代價來維持這些連接。你發(fā)起一個TCP連接，為了讓狀態(tài)設(shè)備保存該連接，你也必須保存該連接。除非通過大量的反射主機同時發(fā)起真實連接，否則在單臺或少量主機上，這種攻擊很難成功。對于無狀態(tài)設(shè)備來說，我們不再需要擔(dān)心五元組連接的保持。

但是UDP短時間內(nèi)構(gòu)造大量五元組仍會影響無狀態(tài)設(shè)備的包分類算法的正常運行?；诎诸愃惴ǖ膬?yōu)先級隊列和緩存管理幾乎都是基于五元組計算的，UDP的特性會使無狀態(tài)設(shè)備難以對其進行流量控制。結(jié)果就是，即使UDP流量擠滿各級隊列和緩存，也無法準(zhǔn)確識別出來。即便是BBR（Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time）遇到UDP流量，也只能降低pacing rate，別無他法。

普通的運營商網(wǎng)絡(luò)對TCP更友好，對UDP不友好，但同樣無法深度檢測TCP連接的真實性。一個簡單的例子是將正常TCP數(shù)據(jù)的協(xié)議字段改為UDP。這樣做會導(dǎo)致通信出現(xiàn)問題，甚至無法進行有效的傳輸：

if (iph->protocol == IPPROTO_TCP) {    iph->protocol = IPPROTO_UDP;    ip_send_check(iph);    udph->check = 0;} else if (iph->protocol == IPPROTO_UDP) {    iph->protocol = IPPROTO_TCP;    ip_send_check(iph);}

Part 05●??結(jié)語?●

到這里，已經(jīng)從底層角度基本說明了為什么在學(xué)術(shù)、游戲、實時音頻等場景下會催生進一步的網(wǎng)絡(luò)加速服務(wù)需求了。而加速服務(wù)的主要難在兩點：其一，是如何處理客戶端到加速器服務(wù)器之間的UDP連接；其二，是如何讓游戲客戶端去連接這個加速器（一般游戲客戶端是沒有設(shè)置代理服務(wù)器的功能的）。而場景寬帶也正是旨在解決特定場景下以上所述的這些問題，為特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景提供更流暢、快速的網(wǎng)絡(luò)體驗，在未來構(gòu)筑更多元化、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。