cache老化时间的思考–以nat为例

局域网越来越大，于是有人提出了vlan，vlan越来越依赖多而快的端口，于是有人做出了三层交换机，实际上三层交换机仅仅对直接下挂的主机性能有较大的提升，对远端的主机效果要么不大，要么根本没有，说白了三层交换机就是在学以太网交换机的样子，本质上就是加了一个cahce功能，使得ip地址直接与端口保持映射，这样就不必再解包，路由，封包了，因此三层交换机是基于流的，并且只要是基于流的都会有老化机制。在cache的作用下，三层交换机轻松实现快速转发，就像二层交换机一样，拥有学习功能，所谓的学习功能其实就是一个cache功能。
     有必要提一下老化机制，该机制丰富了cache，增加了公平性，但是有的时候行为却不是很严格，比如nat实现中，nat在linux中是基于netfilter的conntrack的，conntrack模块会侦测过来的每一个数据包，如果它已经属于一个流，那么就放过，如果不属于任何流，那么就建立一个新的流，将之放入一个哈希，这里就有了两个问题。
     第一个问题是由于tcp和udp的行为有很大的不同，那么连接管理模块有必要将之分开管理，那么就需要在prerouting的时候知道该数据包是tcp的还是udp的，但是我们知道ip会分片的，所以当时到来的数据包可能仅仅是一个ip片段，我们无法从一个片断看得出该片断是udp还是tcp的，除非该片断是第一个，于是conntrack要做的一件事就是重组分片，然后在forward的时候再将之分片。
     第二个问题就是流的老化时间问题，为了使得内核不频繁的对流cache进行修改和替换，每个连接的每个状态都有个老化时间，这些时间根据协议和协议的状态有所不同，比如tcp的ESTABLISHED的状态的流的老化时间就会特别长，而udp的未回答状态的老化时间会特别短，于是问题出来了，如果我配置错了一个nat，那么当我尝试连接的时候肯定是失败的，因为nat将会把目的地址转为一个错误的地址，此时流已经建立了，虽然可能不通，但是路由存在，访问允许，流建立了，并且在确认路由存在访问允许之后查nat表找到了错误的rule，由于对端还没有回答，所以这个状态的流的老化时间很短，虽然时间老化很短，可毕竟建立了，然后我随即将nat配置正确，可是在刚才那个已经建立的流为老化之前，我还是无法连接，这说明一旦流匹配了，在下面经过nat表的时候就会将nat信息复制进这个流，于是后面的数据包一旦命中这个流，将会一直使用这个nat信息，直到该流老化或者被挤出哈希表；另外一个反面的例子是如果nat是配置正确的，那么在改错了的一会时间内还是可以通信的，原因就是流还没有老化，并且新的nat信息没有被刷新。
     另外，nat依赖conntrack的设计本身也许很脆弱，在出现大量连接的情况下，conntrack的哈希表很快就会满，接下来的连接就无法加入哈希表了，于是nat就会失败。脆弱的本质就是nat几乎完全依赖了一个用于效率优先容量有限的哈希表，而不是公平优先绝对精确的容器，我们在受到cache的恩惠的同时也要主要它会引起的问题，正如cpu的cache有cache一致性一样，任何用到cache的地方都要注意这个一致性，除此之外还必须实现公平性。