*、对使用者的分析
现有网络情况：
我校校园网通过光缆已将31座建筑物连通，光缆总长度约15Km，绝大多数楼中实现结构化布线，连入校园网的网络多媒体教室、教学基地、实验室、机房等约有数十个，连网计算机达3000多台 。我校目前出口有2个，*条速率为10M bps，通过光纤接入中国教育科研网CERNET，另*条速率为4M bps连入中国电信。
用户的需求：
我校校园网的使用者主体为在校学生及老师。根据统计，约80%的用户使用WWW、FTP等资源。我校现有Chinanet ip 126个，不可能分给所有的用户使用。通过架设代理服务器来实现让所有用户使用网络资源是*简单并且相对安全和可靠的方法。通过架设专门的WWW(FTP)代理来满足用户的主要需求，通过架设socks5代理来满足用户的其他需求。
二、硬件及软件的选择
硬件
Cache Server可以是*台普通的PC服务器加上cache软件（如Squid、Inktomi）构成，也可以是软硬件系统和*台专门的cache服务器。根据Chinanet出口的实际情况，4Mbps速率的出口，每秒*大传入数据量为约500K/s。我校主干网节点间为双千兆连接，到达部分实验室是百兆，到达宿舍为10M。送出的*大数据量为约12M/s。传送的数据量不是很大，使用传统的IA32构架服务器既可满足需求。我校网络中心主机房使用机柜来存放服务器。惠普公司的LH6000服务器，具有很强的扩展性，是新型的六路服务器。代理服务器的运算负荷不是很重，对于IO的要求较高。LH6000通过自定义配置可以达到这个要求。通过使用raid可以提高磁盘性能，增加数据的可靠性。代理服务器软件占用内存较大。LH6000可以支持8GB内存。*终选择配置如下：
配置
处理器:1个100MHz系统总线的Intel Pentium III Xeon 700MHz处理器
内存:1G PC-133 ECC SDRAM
磁盘控制器:集成具有32MB高速缓存双通道Ultra3 SCSI HP NetRAID控制器
附加单通道:Ultra Wide SCSI控制器
内置存储:热插拔5x18G半高驱动器
网卡:内置INTEL 82559 100M网卡
电源:3个热插拔电源
RAID使用了RAID5模式，这个模式是向阵列中的磁盘写数据，奇偶校验数据存放在阵列中的各个盘上，允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个硬盘上。这样， 任何*个硬盘损坏，都可以根据其它硬盘上的校验位来重建损坏的数据。
软件
Squid Internet Object Cache (Harvest Project的後续版本) 是美国政府大力助的*项研究计划。Squid是*个开放源代码的代理服务器软件。它是*个为UNIX系统下运行的全功能的代理服务器软件。它可以为HTTP协议、FTP协议以及其他使用URL方式定位的协议作缓存。它支持客户端使用SSL协议进行数据传送。它可以使用ICP, HTCP, CARP, Cache Digests等协议和方式和其他运行squid的服务器进行协同。它支持SNMP协议，可以用相应的软件来做协调和管理。并且能配置详细的访问控制列表（acl）。
操作系统
以前学校的代理服务器使用linux作为操作系统。这是因为以前的代理服务器通常还兼作其他的服务器。很多服务器软件是专门为linux开发的，或者在linux上运行的效率*高。Squid本身是为unix-like操作系统开发的。本身对系统没有太多的要求。目前我校Chinanet代理服务器使用的是FreeBSD作为操作系统。
没有选择Linux有下面几点原因：
Linux的核心部分开发相对比较开放,FreeBSD的核心是由*个严格的core team来完成的。相对检查更加严格。从核心部分比较BSD的内核更加稳定。
Linux对高负荷的承载能力不如FreeBSD。对于高负荷下程序出错的容忍力，BSD远强于Linux。
许多**的网站，如：yahoo, netease 等**的商业网站使用的就是freebsd,稳定性和性能早已通过很多专家的评测，远远强于Linux。
在**的文章“Linux vs BSD: A Tale of Two System”中，是这样评价Freebsd的: FreeBSD focuses on the Intel Architecture PC and server platforms, and on providing the best performance and stability possible. The DEC/Compaq Alpha is also supported.
但是Freebsd也有不如Linux的弱点。主要表现在磁盘IO的性能上。这主要是因为Freebsd使用的文件系统—UFS的性能不如linux上使用的ext2/ext3。但是在加上softupdate之后会有很大的改进。而且出国代理上配置的使用raid5模式，磁盘使用高转速scsi硬盘，在上述硬件配置的情况下，读取squid cache的数k大小的小文件使用ext2和ufs+softupdate的效率的差别在万分之*以下。对于负载数千用户的代理服务器来说，可以忽略这样的效率差别。
基于以上原因，*终选用Freebsd作为代理服务器的操作系统。
三、代理服务器软件的安装
squid的安装
freebsd本身的ports程序带有squid的稳定版本。目前squid的*新版本是2.4.STABLE6。在freebsd的/usr/ports/www/squid 目录下执行make;make install就会将*新版本的squid代码下载、编译并*终安装到/usr中的相应路径中。
Squid本身会被安装到/usr/local/sbin下
Squid的cache目录默认为/usr/local/squid/cache
Squid的log目录默认为/usr/local/squid/logs
squid的配置文件目录默认为/usr/local/etc/squid
这样的安装方式比直接使用二进制的package安装要好。因为二进制的package不能保证在自定义的系统上稳定运行。下载源代码代码在本地进行编译之前，**会校验源代码的MD5 checksum,这样能保证我得到的源代码是未经修改过的版本。然后再在本地进行编译。*后安装到相应目录。
Squid的配置
Squid的配置文件是squid.conf
部分参数的配置如下：(为保证代理服务器安全，部分参数用*代替)
http_port 8080 设置http代理端口为8080
cache_peer pa.us.ircache.net sibling 3128 3130 login=*:*
cache_peer sj.us.ircache.net sibling 3128 3130 login=*:*
cache_peer * parent 13280 4827 htcp *:*
这几行是使用squid可以和其他几台机器进行协同工作的特性，同几台组成cache_peer。具体设置在后面的*化部分会解释。
cache_peer_domain * .edu.cn设置.edu.cn的域*使用某个cache_peer访问
cache_mem 400 MB设定内存cache的大小为400M
cache_swap_low 80
cache_swap_high 97这两行是设置cache进行替换的闸值。当占用到97%的cache后，cache中的内容将被清空20%。
maximum_object_size 20000 KB *大对象大小为20M.
maximum_object_size_in_memory 10000 KB 内存中*大的对象大小为10M
ipcache_size 4096 ip对应cache的大小为4096
fqdncache_size 4096 域*全称cache的大小为4096
cache_replacement_policy heap LFUDA cache替换策略
memory_replacement_policy heap LRU 内存替换策略
cache_dir ufs /usr/local/squid/cache 25000 16 256 cache存放的路径大小及具体配置
dns_nameservers * * * * * 内部指定dns服务器
authenticate_program * * 身份认证程序
authenticate_children 32 身份认证程序启动的进程数目
request_body_max_size 5 MB *大请求的body大小
reply_body_max_size 20 MB *大回应的body大小
acl all src 0.0.0.0/0.0.0.0
acl dorm proxy_auth 192.168.0.0/255.255.0.0 REQUIRED
acl bjpu proxy_auth 202.112.64.0/255.255.240.0 REQUIRED
acl bjpu2 proxy_auth 211.71.80.0/255.255.240.0 REQUIRED
访问控制列表
acl banned_sites {过滤的关键字}
http_access deny banned_sites
deny_info ERR_BANNED_SITE banned_sites
禁止访问违禁站点的设置
acl manager proto cache_object
acl localhost src 127.0.0.1/255.255.255.255
acl SSL_ports port 443 563
acl Safe_ports port 80 # http
acl Safe_ports port 21 # ftp
acl Safe_ports port 443 563 # https, snews
acl Safe_ports port 70 # gopher
acl Safe_ports port 210 # wais
acl Safe_ports port 1025-65535 # unregistered ports
acl Safe_ports port 280 # http-mgmt
acl Safe_ports port 488 # gss-http
acl Safe_ports port 591 # filemaker
acl Safe_ports port 777 # multiling http
acl CONNECT method CONNECT
设置可以连接的端口
http_access allow dorm
http_access allow bjpu
http_access allow bjpu2
http_access allow manager localhost
http_access deny manager
http_access deny !Safe_ports
http_access deny CONNECT !SSL_ports
http_access deny all
允许http访问
icp_access allow *允许cache_peer使用ICP协议访问
proxy_auth_realm BJPU proxy-caching web server 验证框提示的banner
cache_mgr liukange@netease.com cache管理员的电子邮件地址
cache_effective_user *
cache_effective_group * 执行cache程序的用户uid和gid
visible_hostname cnproxy.bjpu.edu.cn cache服务的机器*
memory_pools on 内存池设置为打开。
memory_pools_limit 50 MB 内存池的大小
Socks5代理的安装
出国代理上选用的socks5代理软件是NEC公司制作的软件。它实际上是*个商业版软件。但是根据它的license文件所述，在非商业用途上使用这个软件是免费的。在RFC-1928对socks5如何运行做了详细的描述。这个标准就是NEC公司的“Ying-Da Lee”和HP及IBM公司制定的。在相应的测试中,NEC公司的这个socks5代理软件的性能是较好的。虽然它有*些安全上的漏洞，但是使用freebsd的ports方式安装，将会自动对源代码打补丁，修正安全隐患。
在/usr/ports/net/socks5下执行make;make install就能安装好该程序。相应的文件将被安装在下列目录：
socks5可执行文件被放在/usr/local/bin
socks5.conf文件被放在/usr/local/etc下
bugtraq上曾经提到socks5的密码验证部分有安全隐患，因此没有使用该功能。
Socks5代理的配置
Socks5代理的配置文件是socks5.conf，内容如下：
set SOCKS5_MAXCHILD 8000
permit - - 192.168. - (1024,65535) -
permit - - 202.112.64.0/255.255.240.0 - (1024,65535) -
permit - - 211.71.80.0/255.255.240.0 - (1024,65535) –
限制工大可以使用该socks5代理，限制目标端口为1024-65535。设置*多可以有8000个进程运行。
配置文件的切换
为了避免带宽的浪费，出国代理设置为夜间取消*大下载对象限制。这是是使用crontab来做到的。每天夜间23:30将配置文件切换为没有*大下载对象限制的。每天上午7:30切换回有*大下载对象限制的。
四、使用情况分析
单位时间内流量
input (total) output
packets errs bytes packets errs bytes colls
917 0 646248 1015 0 767928 0
941 0 667858 1287 0 1548180 0
832 0 673330 897 0 836839 0
895 0 655289 1067 0 878449 0
*以上数据为出国代理负载中等时的数据。
Chinanet出口已经被占满，经过cache的作用，送出数据大于进入数据
CPU负荷
使用top命令看到的CPU的负荷： load averages: 0.72, 0.86, 0.86（1mi,5min,15min），此数据为出国代理负载中等时的数据。
Hourly usage
通过这张图可以清晰的了解出国代理的使用情况。
早6时，宿舍通电。出国代理的使用频度增加数倍。
早8时，机房、实验室开始开放，出国代理的使用频度近*步增多。
上午11时，课程结束，部分学生离开机房、实验室，午餐时间使用频度略微减少。
中午13时，下午课程开始，学生离开宿舍，使用频度减少。
下午15时，机房和实验室用户增多。
下午17时，部分机房、实验室关闭，教师离开学校，造成使用频度减少。
晚18-20时，学生去上自习或选修课，使用频度呈减少趋势
晚21时-22时，选修课结束，学生回到宿舍，使用频度急剧增加，并且达到每天的*高点。
晚23时，部分宿舍断电，实验室断电。使用频度进*步减少。
0时-5时，宿舍学生大多已经休息，使用频度程减少趋势。
Daily usage
通过上面可以看出我校Chinanet线路代理服务器每天的使用情况。出国代理的日访问日志在约600M。图中显示出周末，尤其是周日访问量很大。这是由于周末我校宿舍不断电，作为用户主体的学生的使用网络的时间大大增加。对此称为“周末效应”。
五、安全保障
物理安全的保护
供电：该服务器放在我校网络中心主机房，有双路供电。UPS可以保证在没有市电供应下5小时不中断服务。
物理隔离：网络中心24小时有专人值班，进入主机房需要登记。
服务器软件安全保护
操作系统选用了FreeBSD。Freebsd本身几乎没有任何安全漏洞。根据服务*少化原则，出国代理上目前使用的服务有ssh ntp socks5 squid几种。其中ssh没有使用freebsd自带的openssh,而是使用了ssh.com出的非商业版的ssh服务器软件。这个版本的ssh服务器软件相对openssh有更安全效率更高的*势。而且对于非商业应用是免费的。 服务器通过ntp服务与某网络时间服务器进行时间同步，这是为了保证日志文件记录事件发生时间的准确性。另2个为必须提供的代理服务。其余服务没有打开。执行ps命令确认没有任何多余进程。
对SYN-Flood及扫描的防护
SYN Flood是当前*流行的DoS（拒绝服务攻击）与DdoS（分布式拒绝服务攻击）的方式之*，这是*种利用TCP协议缺陷，发送大量伪造的TCP连接请求，从而使得被攻击方资源耗尽（CPU满负荷或内存不足）的攻击方式。
TCP协议的三次握手过程是这样的：
**，请求端（客户端）发送*个包含SYN标志的TCP报文，SYN即同步（Synchronize），同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号；
第二步，服务器在收到客户端的SYN报文后，将返回*个SYN+ACK的报文，表示客户端的请求被接受，同时TCP序号被加*，ACK即确认（Acknowledgement）。
第三步，客户端也返回*个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加*，到此*个TCP连接完成。假设*个用户向服务器发送了SYN报文后突然死机或掉线，那么服务器在发出SYN+ACK应答报文后是无法收到客户端的ACK报文的（第三次握手无法完成），这种情况下服务器端*般会重试（再次发送SYN+ACK给客户端）并等待*段时间后丢弃这个未完成的连接，这段时间的长度我们称为SYN Timeout，*般来说这个时间是分钟的数量*（大约为30秒-2分钟）；*个用户出现异常导致服务器的*个线程等待1分钟并不是什么很大的问题，但如果有*个恶意的攻击者大量模拟这种情况，服务器端将为了维护*个非常大的半连接列表而消耗非常多的资源----数以万计的半连接，即使是简单的保存并遍历也会消耗非常多的CPU时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。
实际上如果服务器的TCP/IP栈不够强大，*后的结果往往是堆栈溢出崩溃。即使服务器端的系统足够强大，服务器端也将忙于处理攻击者伪造的TCP连接请求而无暇理睬客户的正常请求（毕竟客户端的正常请求比率非常之小），从而造成DoS。
在freebsd的可以调整的内核参数中有下面2项：net.inet.tcp.blackhole和net.inet.udp.blackhole。相应的描述如下：The blackhole sysctl(8) MIB is used to control system behaviour when connection requests are received on TCP or UDP ports where there is no socket listening. Normal behaviour, when a TCP SYN segment is received on a port where there is no socket accepting connections, is for the system to return a RST segment, and drop the connection. The connecting system will see this as a "Connection reset by peer". By setting the TCP blackhole MIB to a numeric value of one, the incoming SYN segment is merely dropped, and no RST is sent, making the system appear as a blackhole. By setting the MIB value to two, any segment arriving on a closed port is dropped without returning a RST. This provides some degree of protection against stealth port scans.In the UDP instance, enabling blackhole behaviour turns off the sending of an ICMP port unreachable message in response to a UDP datagram which arrives on a port where there is no socket listening. It must be noted that this behaviour will prevent remote systems from running traceroute(8) to a system. The blackhole behaviour is useful to slow down anyone who is port scanning a system, attempting to detect vulnerable services on a system. It could potentially also slow down someone who is attempting a denial of service attack.
根据上面描述可以将net.inet.tcp.blackhole和net.inet.udp.blackhole设置为2和1，这样将防止半开式的端口扫描，并且能对syn-flood有初步的防护。
在内核的配置文件中有options TCP_DROP_SYNFIN这个选项。通过加入这个参数，可以防止通过TCP/IP堆栈对操作系统进行识别。可以将安全问题中的”information gathering”解决 。
六、*化
内核的*化
FreeBSD有很丰富的可以自定义的内核的参数。默认的内核为了保证通用性和稳定性，有大量*化性能的参数没有加入。
我校Chinanet代理服务器操作系统内核部分*化参数如下：
options MAXDSIZ="(1024*1024*1024)"
options MAXSSIZ="(1024*1024*1024)"
options DFLDSIZ="(1024*1024*1024)"
options CPU_ENABLE_SSE
options PANIC_REBOOT_WAIT_TIME=16
前三行是对freebsd下运行的应用程序可以使用的*大的内存资源作限制，默认为128M。由于出国代理服务器软件squid占用内存巨大，默认的配置显然不能满足要求，所以要使用自定义的配置。这个配置允许单*进程占用1G的内存资源。
第四行是打开对SSE/MMX2指令集的支持。通过加入这*参数，出国代理的性能提高了约1%。即单位时间内吞吐量增加了1%。
第5行是在内核发生严重错误的时候自动重新启动的时间。这个参数保证了服务器出现严重的软件错误后能自动恢复。
Cache policy
在本文的第三部分中提到了出国代理使用的cache policy。
cache_replacement_policy heap LFUDA cache替换策略
memory_replacement_policy heap LRU 内存替换策略
HP公司曾经对squid作过详细的测试。
参考该文档，对我校出国代理作了相应的调整。默认的cache_replacement_policy 和memory_replacement_policy都是LRU。这个算法用在cache上效率相对较低。经过实际测试，使用LFUDA（Least Frequently Used with Dynamic Aging）作为cache replacement policy，cache的命中率*高。使用heap LRU作为memory replacement policy，memory cache命中率*高。使用工具测得加入出国代理后，对使用代理的用户来说，Chinanet的出口带宽达到了5-7M,已经远远高于4M的实际带宽。确实起到了cache的作用。
对于磁盘IO的*化
前文提到freebsd的磁盘性能不佳。除使用raid技术之外，squid本身有unlinkd 和diskd两个子进程来专门负责对磁盘作操作。配置文件中的cache_dir ufs /usr/local/squid/cache 25000 16 256 这行指定了squid可以使用25G的硬盘空间来作为缓存。Ufs指定了使用unlinkd作为对磁盘做操作的进程。Unlinkd只负责删除文件的操作，diskd负责所有的操作。Squid的相应文档上建议使用diskd。但是经过测试，使用diskd虽然能提高系统的性能，但是会使squid进程变得不稳定。基于保证稳定性的考虑，选择使用unlinkd作为对磁盘操作的进程。
Cache peer
Squid支持多台服务器进行协同工作，组成cache peer。美国的National Laboratory for Applied Network Research、UCSD、The National Science Foundation建立了相应的cache peer组织(http://www.ircache.net)。我校Chinanet代理服务器将该组织中的2台服务器设置为slibing模式来调用，将我校另外*台cernet线路上的服务器设置为域*以.edu.cn结尾的parent模式。访问过程是这样的：如果客户端提交来的请求是以.edu.cn结尾的，**查询cache中是否有，如果没有则请求cernet线路上的服务器去读取相应资源。
对于其他的域*，则**查询本身的cache，如果没有则查询slibing的cache,如果还没有，则自己主动去获取该资源。与ircache的协调使用ICP(Internet Cache Protoclol)，与cernet线路服务器协调使用HTCP(Hypertext Caching Protocol)。对ICP的描述在RFC2186、RFC2187，对HTCP的描述在http://icp.ircache.net/htcp.txt。HTCP更有利于提高cache的性能，但是对系统的配置有要求，ICP相对简单。所以，选择使用ICP与ircache的服务器协同工作，使用HTCP与学校cernet服务器协同工作。