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。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：
编辑/root/nat如下：
# 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。