tc网络流控详解及常用队列

TC是什么？
tc的组成有哪些？
队列、类别、过滤器
可分类别队列
简单的无类别队列（pfifo_fast）
简单的无类队列(TBF)
无类别随机公平队列（SFQ）
可分队列中的数据流向
PRIO队列
著名的CBQ队列
常用简单的过滤命令
HTB(Hierarchical Token Bucket, 分层的令牌桶)
一个复杂的实例
IMQ(Intermediate queueing device，中介队列设备)

TC是什么？

Linux内核内置了一个Traffic Control框架，可以实现流量限速，流量整形，策略应用(丢弃，NAT等)。和 TC框架比较相似的是Netfilter框架，但是二者却又有很大的不同。
TC是linux自带的模块，在内核2.4.18以上。

Netfilter:网络协议栈上内核路径上过滤数据包，检测要得出一个结果动作：
丢弃，接受，等等。Netfilter框架关注的是只需针对一个数据包得出一个结果即可。

TC：是对数据包或者数据流提供一种服务，比如限速，整形，等等。TC框架关注的是如何执行而不是仅仅想要得到一个要执行的动作。

总结：Netfilter框架关键做什么，而TC框架关注怎么做。

tc的组成有哪些？

队列、类别、过滤器

队列(qdisc):
流量控制的一个基本概念是队列(Qdisc)，每个网卡都与一个队列(Qdisc)相联系，每当内核需要将报文分组从网卡发送出去，都会首先将该报文分组添加到该网卡所配置的队列中，由该队列决定报文分组的发送顺序。因此可以说，所有的流量控制都发生在队列中。
有些队列的功能是非常简单的，它们对报文分组实行先来先走的策略。有些队列则功能复杂，会将不同的报文分组进行排队、分类，并根据不同的原则，以不同的顺序发送队列中的报文分组。为实现这样的功能，这些复杂的队列需要使用不同的过滤器(Filter)来把报文分组分成不同的类别(Class)。这里把这些复杂的队列称为可分类(Classiful)的队列。因此，类别(Class)和过滤器(Filter)也是流量控制的另外两个重要的基本概念。

可分类别队列

实例:

简单的无类别队列（pfifo_fast）

这个队列有三个频道(0.1.2)，FIFO应用于每一个频道，并且：如果0频道有数据发送就不会处理1频道的数据，1和2频道关系也是这样。

参数
priomap：数据包优先权。根据一个数据包中的TOS字节进行分类。
tos看上去是这样子的。
| 0 1 2 | 3 4 5 6 | 7
| 优先权 | TOS | MBZ
TOS字段4个bit定义如下：
1000 8 最小延时(md)
0100 4 最大throughput(mt)
0010 2 最大可靠性(mr)
0001 1 最小成本(mmc)
0000 0 正常服务
因为在这个4bit之后还有一位MBZ，所以tos的字段的实际值是上述的2倍

流控中默认的pfifo权限是这样的1,2,2,2,1,2,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1 对应下表。

上述表意思：例如15表示一个数据包要求最小成本、最大可靠性、最大吞吐量、和最小延时的发送出去。

下表来自RFC1349，告诉你应用程序是如何设置他们的QOS：

使用iptables修改程序的QOS
例如修改telnet的QOS为md：iptables -A PREROUTING -t mangle -p tcp --dport telnet -j TOS --set-tos Minimize-Delay

简单的无类队列(TBF)

令牌桶过滤器(TBF,Token Bucket Filter)是一个简单的队列规则：只允许以不超过事先设定的速率到来的数据包通过，但可能允许短暂突发流量超过设定值。
TBF很精确，对于网络和处理器的影响都很小。所以如果您想对一个网卡限速，它应该是最好选择！
TBF的实现在于一个缓冲器（桶），该缓冲器（桶）不断地被一些叫做”令牌”的虚拟数据以特定速率(token rate)填充着。桶最重要的参数就是它的大小，也就是它能够存储令牌的数量。
这个算法关联到两个流上——令牌流和数据流，得出3种情景：
1.数据流以等于令牌流的速率到达TBF。这种情况下，每个到来的数据包都能对应一个令牌，然后无延迟地通过队列。
2.数据流以小于令牌流的速度到达TBF。通过队列的数据包只消耗了一部分令牌，剩下的令牌会在桶里积累下来，直到桶被装满。剩下的令牌可以在需要以高于令牌流速率发送数据流的时候消耗掉，这种情况下会发生突发传输。
3.数据流以大于令牌流的速率到达TBF。这意味着桶里的令牌很快就会被耗尽。导致TBF中断一段时间，称为”越限”（overlimit）。如果数据包持续到来，将发生丢包。
配置参数：
limit latency
limit确定最多有多少数据（字节数）在队列中等待可用令牌
latency确定一个包在TBF中等待传输的最长时间，计算桶大小，速率，峰值速率。
burst buffer maxburst
桶的大小，以字节计，指定最多可以有多少令牌能够即刻被用，
10兆bit/s的速率至少需要10k字节的缓冲区才可以达到期望的速率。
rate
速度操纵杆，类似limits

例：
tc qdisc add dev DEV root tbf rate 220kbit latency 50ms burst 1540

无类别随机公平队列（SFQ）

SFQ(Stochastic Fairness Queueing，随机公平队列)简单实现公平队列算法。它的精确性不如其它的方法，但是它在实现高度公平的同时，需要的计算量却很少。
SFQ的关键词是”会话”或“流”，主要针对一个TCP会话或者UDP流。流量被分成相当多数量的FIFO队列中，每个队列对应一个会话。数据按照简单轮转的方式发送,每个会话都按顺序得到发送机会。

参数
perturb: 多少秒后重新配置一次散列算法。如果取消设置，散列算法将永远不会重新配置（不建议这样做）。10秒应该是一个合适的值。
quantum: 一个流至少要传输多少字节后才切换到下一个队列。缺省设置为一个最大包的长度(MTU的大小)。不要设置这个数值低于MTU！

例：
tc qdisc add dev ppp0 root sfq perturb 10

可分队列中的数据流向

一旦有数据包进入一个分类队列中，它就得被送到一个类中，也就是需要分类，对数据包进行分类的工具是过滤器，分类器是从队列内部的调用。
过滤器一般会返回一个决定，队列规定就根据这样的一个决定将数据包送入相应的类中进行排队。每一个子类可以再次使用他们的过滤器进行进一步分类，直到不需要进行分类时候，数据包才进入包含队列规定中排队。

队列规定家族：根、句柄、兄弟、父辈
每一个网卡都有一个根队列规定模式是pfifo_fast，每一个队列都指定一个句柄，以便以后的配置语句能够引用队列规定。
队列的规定的句柄有两个部分：一个主号码一个和次号码一个，一般情况下习惯吧根队列规定称为“1：”等价于“1:0”队列规定的次号码永远是0
类的主号码必须与他们父类的主号码一致。

一个典型的分层关系：

数据包可能按照1:–>1:1–>12:–>12:2
数据包现在应该处于12:2下属的某一个队列中，上述图中树的每一个节点都附带一个过滤器，用来选择下一步进入那个分支，这样也比较直观，也可以允许这样子，1:–>12:2(也就是说根所带的过滤器要求把数据包直接交给12:2)

PRIO队列

PRIO队列规定并不进行整形，仅仅根据你配置的过滤器把流量进一步细分。也可以认为PRIO队列是pfifo_fast的一种衍生物，区别在于每一个频道是一个单独的类。当一个数据包进入PRIO队列中，会根据过滤器选择一个类，缺省的是3种类别。当一个数据包需要出队列时候，首先处理:1类，当没有小号类中数据包发送时候才可以发送大号类的数据包

PRIO参数
bands创建的频道的个数，每一个频道就是一个类。
priomap如果不提供任何过滤器，PRIO队列会规定参考TC_PRIO的优先级来决定如何给数据包入队。

实例：

大量数据使用30：，交互数据使用20：或者10：
tc qdisc add dev DEV root handle 1：prio
#这个命令创建了3个子类： 1:1,1:2,1:3
tc qdisc add dev DEV parent 1:1 handle 10: sfq
tc qdisc add dev DEV parent 1:2 handle 20: tbf rate 20kbit buffer 1600 limit 3000
tc qdisc add dev DEV parent 1:3 handle 30: sfq

著名的CBQ队列

CBQ是最复杂、最琐碎、最难以理解、最刁钻的队列规则。这并不是因为其作者设计不称职，而是因为CBQ算法本身的不精确，而且与Linux的内在机制不协调造成的。
CBQ就采用了它一个近似值——来自硬件层的两个传输请求之间的毫秒数来代替它。这个参数可以近似地表现这个链路的繁忙程度。这样也不能得到正确的理论，比如某些网卡，总线设置，非物理网卡都会影响闲置时间。
有效闲置时间的测量使用EWMA测出一个结果，链路的真实值减去测量值，得出的一个结果是“avgidle”最佳的链路是0，负数表示链路阻塞验证，应停止发包成为overlimit，相反，一个闲置的链路应该有很大的avgidle值，如果时间过长，会造成链路允许非常大的带宽通过，我们使用maxidle来限制avgidle的值不能太大。
参数：
bandwidth：网卡的物理带宽，用来计算闲置时间。
avpkt：平均包的大小，单位是字节。
cell：用于设置时间力度，通常设置为8，必须是2的整数次幂。
mpu：最小包大小。
weight：偏袒数量。当其中一个类要求的带宽高于其他的类，那它每次就会比其他类处理weight数量的数据。
prio:优先级参数。当prio值较低时，只要有数据就必须先服务，其他类要延后处理。
allot:当一个类发送数据时，它发送的数据量的基值。
maxburst:决定了计算maxidle所使用的数据包的个数。在avgidle跌落到0之前，maxburst的数据包可以突发传输出去。值越高，越能容纳突发传输。
miniburst：当发生越限时，cbq禁止发包。一段时间后，突发性传输miniburst个数据包。值越大，整形越精确，一定程度上会有越多的突发传输。
bounded/borrow:bounded表示不会向其兄弟类借入带宽。borrow与bounded相反。
rate：期望中的传输速率。也就是“速度操纵杆”！

决定链路的共享和借用的CBQ参数
除了纯粹地对某种数据流进行限速之外，CBQ还可以指定哪些类可以向其它哪些类借用或者出借一部分带宽。
Isolated/Sharing （isolated字面意思：独立，单独的）
凡是使用“isolated”选项配置的类，就不会向其兄弟类借出带宽。如果你的链路上同时存在着不友好的人，你就可以使用这个选项。
选项“sharing”是“isolated”的反义选项。
Bounded/Borrow （bounded字面意思：受限制的，有限的；borrow=借入）
一个类也可以用“bounded”选项配置，意味着它不会向其兄弟类借入带宽。选项“borrow”是“bounded”的反义选项。
一个典型的情况就是你的一个链路上有多个客户都设置成了“isolated”和“bounded”，那就是说他们都被限制在其要求的速率之下，且互相之间不会借用带宽（就是我们常说的带宽独享）。在这样的一个类的内部的子类之间是可以互相借用带宽的。
其它CBQ参数：split和defmap （split：分离、分裂）（不做解释）

实例：

这个配置把WEB服务器的流量控制为5mbit、SMTP流量控制在3mbit上。而且二者一共不得超过6mbit，互相之间允许借用带宽。我们的网卡是100Mbps的。

#tc qdisc add dev eth0 root handle 1:0 cbq bandwidth 100Mbit avpkt 1000 cell 8
#tc class add dev eth0 parent 1:0 classid 1:1 cbq bandwidth 100Mbit rate 6Mbit weight 0.6Mbit prio 8 allot 1514 cell 8 maxburst 20 avpkt 1000 bounded

这部分按惯例设置了根为1:0，并且绑定了类1:1。也就是说整个带宽不能超过6Mbps。
#tc class add dev eth0 parent 1:1 classid 1:3 cbq bandwidth 100Mbit rate 5Mbit weight 0.5Mbit prio 5 allot 1514 cell 8 maxburst 20 avpkt 1000
#tc class add dev eth0 parent 1:1 classid 1:4 cbq bandwidth 100Mbit rate 3Mbit weight 0.3Mbit prio 5 allot 1514 cell 8 maxburst 20 avpkt 1000

我们建立了2个类。注意我们如何根据带宽来调整weight参数的。两个类都没有配置成“bounded”，但它们都连接到了类1:1上，而1:1设置了 “bounded”。所以两个类的总带宽不会超过6Mbps。别忘了，同一个CBQ下面的子类的主号码都必须与CBQ自己的号码相一致！
#tc qdisc add dev eth0 parent 1:3 handle 30: sfq
#tc qdisc add dev eth0 parent 1:4 handle 40: sfq
缺省情况下，两个类都有一个FIFO队列规则。但是我们把它换成SFQ队列，以保证每个数据流都公平对待。
#tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 1 u32 match ip sport 80 0xffff flowid 1:3
#tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 1 u32 match ip sport 25 0xffff flowid 1:4
这些命令规则了根上的过滤器，保证数据流被送到正确的队列规则中去。

常用简单的过滤命令

这里列出的绝大多数命令都根据这个命令改编而来：
#tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 1 u32 这些是所谓的“u32”匹配，可以匹配数据包的任意部分。
根据源/目的地址：源地址段 match ip src 1.2.3.0/24
目的地址段 match ip dst 4.3.2.0/24
根据源/目的端口：源 match ip sport 80 0xffff
目的 match ip dport 80 0xffff
根据IP协议(tcp, udp, icmp, gre, ipsec)使用/etc/protocols所指定的数字。
比如： icmp是 match ip protocol 1 0xff
根据fwmark：
#tc filter add dev eth1 protocol ip parent 1:0 prio 1handle 6 fw flowid 1:1
注意，这不是一个u32匹配！
你可以象这样给数据包打标记：
#iptables -A PREROUTING -t mangle -i eth0 -j MARK --set-mark 6
按TOS字段选择交互和最小延迟的数据流：
#tc filter add dev ppp0 parent 1:0 protocol ip prio 10 u32 match iptos 0x10 0xff flowid 1:4

HTB(Hierarchical Token Bucket, 分层的令牌桶)

实例：将以HTB队列为主，结合需求来讲述TC的使用。假设eth0出口有100mbit/s的带宽，分配给WWW 、E-mail和Telnet三种数据流量，其中分配给WWW的带宽为40Mbit/s，分配给Email的带宽为40Mbit/s，分配给Telnet的带宽为20Mbit/S。
首先，需要为网卡eth0配置一个HTB队列，使用下列命令:
#tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11
这里，命令中的"add 表示要添加，"dev eth0 表示要操作的网卡为eth0。"root 表示为网卡eth0添加的是一个根队列。"handle 1: 表示队列的句柄为1:。"htb 表示要添加的队列为HTB队列。命令最后的"default 11 是htb特有的队列参数，意思是所有未分类的流量都将分配给类别1:11。

为根队列创建相应的类别:
#tc class add dev eth0 parent 1: classid 1:11 htb rate 40mbit ceil 40mbit
#tc class add dev eth0 parent 1: classid 1:12 htb rate 40mbit ceil 40mbit
#tc class add dev eth0 parent 1: cllassid 1:13 htb rate 20mbit ceil 20mbit
命令中，"parent 1:"表示类别的父亲为根队列1:。"classid1:11"表示创建一个标识为1:11的类别，"rate 40mbit"表示系统将为该类别确保带宽40mbit，“ceil 40mbit”，表示该类别的最高可占用带宽为40mbit。

由于需要将WWW、E-mail、Telnet三种流量分配到三个类别，即上述1:11、1:12和1:13，因此，需要创建三个过滤器，如下面的三个命令:
#tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 match ip dport 80 0xffff flowid 1:11
#tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 match ip dport 25 0xffff flowid 1:12
#tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 match ip dport 23 oxffff flowid 1:13
这里，"protocol ip"表示该过滤器应该检查报文分组的协议字段。“pr[o 1” 表示它们对报文处理的优先级是相同的，对于不同优先级的过滤器，系统将按照从小到大的优先级。

一个复杂的实例

上述中三种数据流(www、Email、Telnet)之间是互相排斥的。当某个数据流的流量没有达到配额时，其剩余的带宽并不能被其他两个数据流所借用。在这里将涉及如何使不同的数据流可以共享一定的带宽。
首先需要用到HTB的一个特性，即对于一个类别中的所有子类别，它们将共享该父类别所拥有的带宽，同时，又可以使得各个子类别申请的各自带宽得到保证。这也就是说，当某个数据流的实际使用带宽没有达到其配额时，其剩余的带宽可以借给其他的数据流。而在借出的过程中，如果本数据流的数据量增大，则借出的带宽部分将收回，以保证本数据流的带宽配额。
下面考虑这样的需求，同样是三个数据流WWW、E-mail和Telnet，其中的Telnet独立分配20Mbit/s的带宽。另一方面，WWW 和SMTP各自分配40Mbit/s。同时，它们又是共享的关系，即它们可以互相借用带宽。

#tc qdisc add dev eth0 root handle 1: htb default 21
#tc class add dev eth0 partent 1: classid 1:1 htb rate 20mbit ceil 20mbit
#tc class add dev eth0 parent 1: classid 1:2 htb rate 80mbit ceil 80mbit
#tc class add dev eth0 parent 1:2 classid 1:21 htb rate 40mbit ceil 80mbit
#tc class add dev eth0 parent 1:2 classid 1:22 htb rate 40mbit ceil 80mbit
#tc filter add dev eth0 protocol parent 1:0 prio 1 u32 match ip dport 80 0xffff flowid 1:21
#tc filter add dev eth0 protocol parent 1:0 prio 1 u32 match ip dport 25 0xffff flowid 1:22
#tc filter add dev eth0 protocol parent 1:0 prio 1 u32 match ip dport 23 0xffff flowid 1:1
这里为根队列1创建两个根类别，即1:1和1:2,其中1:1对应Telnet数据流，1:2对应80Mbit的数据流。然后，在1:2中，创建两个子类别1:21和1:22，分别对应WWW和E-mail数据流。由于类别1:21和1:22是类别1:2的子类别，因此他们可以共享分配的80Mbit带宽。同时，又确保当需要时，自己的带宽至少有40Mbit。

从这个例子可以看出，利用HTB中类别和子类别的包含关系，可以构建更加复杂的多层次类别树，从而实现的更加灵活的带宽共享和独占模式，达到企业级的带宽管理目的。

IMQ(Intermediate queueing device，中介队列设备)

中介队列不是一个队列规定，但它的使用与队列规定是紧密相连的。就linux而言，队列是附加在网卡上的，出现了两个局限：
1.只能进行出口整形，(虽然也存在入口队列，但是上面实现的分类的队列规定可能性非常小)
2.一个队列规定只能处理一块网卡的流量，无法设置全局的限速。

IMQ就是解决了上述的两个局限，简单的说，你可以往队列中放任何东西。被打了特定的数据包在netfilter的BF_IP_PRE_ROUTING和NF_IP_POST_ROUTING的两个钩子函数被拦截，并被发送到一个队列中，该队列附加在一个IMQ的设备上，对数据包打标签可以用到iptables一种处理方法。
配置范例：
首先想到的是入口整形，以便配置得到高保证的带宽，就像配置其他网卡一样：
#tc qdisc add dev imq0 root handle 1: htb default 20
#tc class add dev imq0 parent 1: classid 1:1 htb rate 2mbit burst 15k
#tc class add dev imq0 parent 1:1 classid 1:10 htb rate 1mbit
#tc class add dev imq0 parent 1:1 classid 1:20 htb rate 1mbit

#tc qdisc add dev imq0 parent 1:10 handle 10: pfifo
#tc qdisc add dev imq0 parent 1:20 handle 20: sfq

#tc filter add dev imq0 parent 10:0 protocol ip prio 1 u32 match ip dst ip flowid 1:10
在这个列子中，使用32 匹配目的ip，然后被打上标记的数据包被送到imq0中排队。
iptables -t mangle -A PERROUTING -i eth0 -j IMQ --todev 0
ip link set imq0 up