本文首先概述三种常用的Linux路由器计费方式，然后详细介绍Linux系统的Netfilter包过滤技术，并在此基础上探讨以Netfilter为核心开发的高效、低负载、可扩展的流量统计系统。
Linux路由器的计费方式
由于Linux系统的稳定性、可用性越来越高，基于Linux系统的路由应用也越来越广泛。无论是对于纯IP转发应用，还是基于NAT技术及透明代理技术的Linux路由器系统，如何高效、准确地进行计费都是一个值得研究的课题。
在Linux的世界里，解决问题的办法往往不止一种。目前常用的Linux路由器计费方式有以下三种：
1． 基于数据链路层的、网络监听模式的计费。
使用专门的网络监听主机，此时主机处于混杂模式（Promiscuous），对流经的数据包进行监听和计费，监听的主机必须与路由器处在同一个广播段。由于监听高速以太网会产生严重的丢包问题，故此方法应用并不广泛。
2． 基于SNMP技术的计费。
通过在Linux路由器上配置SNMP代理进行流量统计。此方法应用较为广泛，但SNMP代理的安装会增加路由器的负载，并带来相关的安全性问题。
3． 使用第三方软件，如xtacacsd等。
基于Linux内核的Netfilter技术
Netfilter是Linux下的包过滤软件系统，目的是实现完整的包过滤、防火墙和网络地址翻译(NAT)等功能。其原理基于检查数据包的头部，并根据规则进行处理，实现数据包的控制、安全、伪装、分割管理。具体实现是通过加载内核模块iptables_filter.o和命令iptables来操作。
Netfilter内建三个表，其功能如表1所示。
表1 Netfilter的组成
默认情况下，数据包从某网络进入Linux路由器所经过的Netfilter过程如图1所示。
图1 Netfilter的数据包路由
1．当一个数据包进入（如网络1），内核首先检查包的目的地（路由决策）。
2．如果它是进入本机的，包会向图的下方移动，到达INPUT链。在这里，任何等待该包的进程都会收到它。
3．否则，如果内核未被允许转发，或者不知道如何转发该包，它就会被丢弃。如果允许转发，而且包的目的地是另一个网络接口（如网络2），那么包继续向图的下边行进，到达FORWARD链。如果策略允许通过（ACCEPT），它将被送出。
4．服务器上的进程也可以发送网络包，这些包直接通过OUTPUT链发送，如果被允许（ACCEPT），那么该包继续向可到达其目的地的网络接口发送。
“nat表”管理网络地址翻译，其中PREROUTING链可定义进行目的地址NAT的规则。因为路由器进行路由时只检查数据包的目的IP地址，所以为了使数据包能正确路由，必须在路由之前就进行目的NAT。POSTROUTING链用来定义进行源地址NAT的规则，系统在决定数据包的路由以后才执行该链中的规则。OUTPUT链定义对本地产生的数据包的目的地址NAT规则。
除了内建链，Netfilter还支持用户自建链，支持更复杂、功能更强的应用。
计费规则
根据Netfilter可扩展表链的特性，可以通过自定义链来实现对数据包的流量计费。从网络管理的角度考虑，需要关注的流量一般是总流入流出及一些基本的网络应用流量，如FTP、WWW、SMTP、POP等，更多的监控可以根据需要添加。
iptables的流量计费功能在同一链内只能实现一次，因此自定义表必须精心设计，保证目标数据包经过计费链。首先建立用户自定义表ACC-IN、ACC-OUT、ACC-OUT-SMTP、ACC-IN-POP3、ACC-IN-WWW、ACC-IN-FTP。
对于Linux路由器，往往需要实现IP伪装与透明代理，其计费链与传统的包转发路由器有所不同。对于IP伪装（网络地址翻译），第一个分组IP包经过PREROUTING（nat）链，此后所有的IP包均经过FORWARD（filter）链，因此实际上对NAT的计费是在FORWARD链上完成的。对于透明代理，其实质是将用户HTTP的80端口请求转发到代理服务进程，如果代理服务进程在本地，则相应的流量发生在本地的OUTPUT链。
流入量统计的iptables表与用户自定义表的顺序关系如图2。
图2 计费表的顺序关系
如图2所示，每一个流入的IP包都会遍历所有的计费链，流出图与之类似。如果IP包符合计费规则，则iptables记数，相应的规则如表2示。
表2 计费类型说明
◆ 对于总流入，由于是在本地网络流入计费，所以本地的TCP流量可以忽略，相应的规则如下(eth0为内网网卡，内网为10.0.0.0/24)：
#iptables -A FORWARD -o eth0 -s ! 10.0.0.0/24 -s *.*.*.* -j ACC-IN
◆ FTP流量包括20、21端口，由于21端口只负责FTP控制信令传送，故只需对负责数据传送的20端口计费即可：
#iptables -A ACC-IN -o eth0 -p tcp --source-port 20 -d *.*.*.* -j ACC-IN-FTP
◆ WWW流量如果不设置透明代理，则计费发生在FORWARD链：
iptables -A ACC-IN -o eth0 -p tcp --source-port 80 -d *.*.*.* -j ACC-IN-WWW
◆ 对于使用透明代理的流量，计费发生在OUTPUT链（其中10.x.x.x为内网IP，X为代理进程的端口号）：
iptables -A OUTPUT -o eth0 -p tcp -s 10.x.x.x --source-port x -d *.*.*.* -j ACC-IN-WWW
其它协议的计费方式类似。对于任意的TCP及UDP协议，只要知道服务端口号，都可以进行计费。
实际的计费规则采用PERL自动生成。首先生成需要计费的IP地址列表文件，然后通过PERL程序读取该文件并自动生成计费规则。程序示例如下：
sub set_iptables_rules{
my(@mylist)=@_;
open (FILE,$mylist[0]); #读取配置文件
@lines=;
close FILE;
foreach $address(@lines)
{
chomp($address); #处理配置文件
@address_var=split(/ +/,$address);
#根据配置文件生成计费规则
`$iptables $mylist[2] FORWARD -i $local_nic -s $address_var[0] -d ! $local_net -j ACC-OUT`;
`$iptables $mylist[2] ACC-OUT -i $local_nic -p tcp -s $address_var[0] --dport 25 -j ACC-OUT-SMTP`;
...... }
}
Linux路由器的防火墙规则也基于iptables进行设置，主要是针对INPUT链和FORWARD链。计费规则也使用了iptables的系统默认链FORWARD和OUTPUT，与防火墙设置的FORWARD链上出现重叠。因此要保证在FORWARD链上的计费规则必须先于防火墙规则，才能使计费规则与防火墙规则同时发生作用。
系统结构
整个流量计费系统的结构如图3示，数据包流经Linux路由器并被计费；统计数据送入数据库；用户通过前端界面查询流量，同时可对计费规则进行监控和管理。
图3 系统结构示意图
系统的后台程序
iptables的计数功能仅仅提供了简单的流量显示，使用参数iptables -nvxL可得到更多的流量详细数据。例如：
Chain FORWARD (policy ACCEPT 28951 packets, 18212425 bytes)
pkts
bytes target
prot opt
in
out
source
destination
116
8465
ACC-OUT
all
--
eth0
*
10.2.229.2
!10.0.0.0/8
134
59582 ACC-IN
all
--
*
eth0 !10.0.0.0/8 10.2.229.2
一个切实可用的计费系统需要数据库的支持，并提供友好的查询界面，必须在后台对iptables提供的数据进行处理，并且输入至数据库。使用PERL语言的正则表达式，可以对iptables输出的数据进行处理，以选取需要的数据段。对于每一行数据都要提取流量及IP地址，所以要对目的数据段用正则表达式进行处理：
for ($i=0;$i
{$lines_in[$i]=~/^\s+\d+\s+(\d+)\s+(\D+\d)\s+(\W\d+\.\d+\.\d+\.\d+\/\d+)(\d+\.\d+\.\d+\.\d+).*$/;
$ac_ip=$4;
$ac_in=$1; #读取IP地址与总流量
......
#将流量记录输入至数据库
$sth = $dbh-do ("INSERT INTO $mysql_table_name
(date,ip,acc_in,acc_out,acc_in_ftp,acc_in_pop3,acc_in_www,acc_out _smtp)
VALUES ('$date','$ac_ip','$ac_in','$ac_out','
$ac_in_ftp','$ac_in_pop3','$ac_in_www','$ac_out_smtp')"); }
计费周期可根据需要选择，但必须兼顾存储量与效率。这里计费周期选取为24小时，即设定系统的crontab，定时每天执行后台程序将流量输入数据库。计费完成后将流量记数器清零：
#iptables -Z FORWARD
计费后台程序由于采用PERL语言编写，程序紧凑高效，与SNMP计费方式相比，实现方法简单，可定制性强，而且每天执行一次，对Linux路由器没有增加额外的负载。
数据库与前端实现
由于Linux路由器承担大量用户的IP包转发任务，负载较重，为了避免对其性能的影响，后台数据库不设置在本地，而采用多台路由器使用同一后台MySQL数据库来进行管理。
前台查询界面则可采用PHP语言编写，提供给用户日流量、月流量、年流量的查询，同时可对计费策略进行监控和管理，如图4示。
