本文目录

1、网络配置: "ip"工具
2、流量控制工具Traffic Control: tc工具
- 2.1、流量整形：Queuing Packets(也称做traffic shaping)
- 2.2、Classless Queuing Disciplines (Classless qdiscs)无分类Qdiscs
- 2.3、 Classful Queuing Disciplines (Classfull qdiscs)
3、tc的 qdisc, class和filter三个概念之间的关系
- 3.1、一个详细配置例子
- - 3.1.1、下面我们看一下用CBQ如何来实现。
  - 3.1.2、下面我们看一下用HTB如何来实现。
4、汇总

iproute2是一个软件包，这个软件包包含了多种用于高级路由，隧道和流量控制配置工具软件。
iproute2提供了Linux内核对QoS的实现，你可以在以下网站中找到英文原版的信息osdl.org和lartc.org。这些工具软件中，最重要的当数ip和tc这二个工具。

1、网络配置: "ip"工具

ip工具提供了Linux网络配置所需要的大部分功能。通过它，你可以配置网络接口， ARP，路由策略，隧道等等。ip工具支持IPv4和IPv6，并且它的语法简单易懂。最重要的是我们要学会在什么时候使用这个工具来完成什么功能。
首先，ip工具可以用于配置动态路由协议(BGP, OSPF, and RIP) 。

我们可以通过ip help来查看一下ip工具支持哪些功能。

xxx@raspberrypi:~ $ ip help
Usage: ip [ OPTIONS ] OBJECT { COMMAND | help }ip [ -force ] -batch filename
where  OBJECT := { link | address | addrlabel | route | rule | neigh | ntable |tunnel | tuntap | maddress | mroute | mrule | monitor | xfrm |netns | l2tp | fou | macsec | tcp_metrics | token | netconf | ila |vrf | sr | nexthop | mptcp }OPTIONS := { -V[ersion] | -s[tatistics] | -d[etails] | -r[esolve] |-h[uman-readable] | -iec | -j[son] | -p[retty] |-f[amily] { inet | inet6 | mpls | bridge | link } |-4 | -6 | -I | -D | -M | -B | -0 |-l[oops] { maximum-addr-flush-attempts } | -br[ief] |-o[neline] | -t[imestamp] | -ts[hort] | -b[atch] [filename] |-rc[vbuf] [size] | -n[etns] name | -N[umeric] | -a[ll] |-c[olor]}

ip link命令：
显示出所有可以用ip link set命令去修改的配置项。本命令用于修改网络接口设备的属性，但不能用于修改IP地址。
ip addr命令
显示所有网络接口设备的IP地址（等同于ip addr show）。ip addr add命令可以用于给网络接口设置增加主或者第二IP地址。ip addr del命令用于删除网络接口设备的IP地址。还有其它一些用途，比如ip addr flush dynamic命令可以直接清除掉所有通过动态路由协议添加到内核的路由表项。
ip neighbor命令
用于管理Arp表，它包含了add, change, replace, delete和flush多个子功能。
ip tunnel命令
用于管理隧道连接。支持gre, ipip和sit等多种隧道协议。用于创建管理隧道。
ip monitor命令
ip工具提供了实时查看路由，地址，设备状态的的功能。
ip route命令
此命令用于对内核的路由表进行操作，包括add, change, replace, delete, show, flush和get等功能。
ip rule命令
iproute2还有一个非常重要的功能就是它能通过ip rule和ip route二种命令实现策略路由。

2、流量控制工具Traffic Control: tc工具

tc工具让使用Linux来代替昂贵的QoS设备成为可能，因为tc工具可以让工程师在Linux主机上配置各种QoS策略。Linux甚至比常用的QoS设备支持更多的QoS功能，这使得我们用Linux机器当做便宜又强大的QoS设备。这个的前提是你的Linux发行版的内核在编译里已经支持QoS选项(CONFIG_NET_QOS=“Y” 和 CONFIG_NET_SCHED=“Y”，这个一般目前能拿到的通用的Linux发行版都是默认打开的，如果你自己编译内核才需要注意这二个配置)。

2.1、流量整形：Queuing Packets(也称做traffic shaping)

Linux系统里，使用Queuing队列机制来决定数据如何被发送，比如控制发送数据包的速度与多少，控制数据包发送的优先级等等。注意队列机制只能用于管理发出的数据包，不能用来管理收到的数据包(这个很好理解，收到的数据包的多少与速度是由发送发决定的，接收方只能被动接收)。如下图所示：我们可以看到，在路由器上，我们只能控制上下行二个方向的发送的QoS。

下行方向
路由器只能控制路由器从网口eth1 向PC发送的数据包；
上行方向
路由器只能控制路由器从网口eth0向网络上的服务器发送的数据包。

虽然只能控制发送一个方向的数据流量，但考虑到TCP协议的流控功能 (即：通信双方能通过TCP协议的ACK报文的发送来控制对方的发包速度)，控制发送速度与数量就可以达到很好的双向流量整形的效果。UDP不支持协议层面上的流量控制，但大多数基于UDP协议的上层应用层协议带了流量控制功能，所以同样可以达到流量整形的效果。
但因为只能控制发送方向的数据，不能控制接收方向数据包的QoS，还是带来一些问题，比如泛洪攻击flood attacks导致的DoS的存在就是因为无法控制接收方向上的数据包的多少与速度。
用于流量整形的队列机制queuing disciplines可以分成二种，classless和classful。

开始讨论这二种Qdiscs之前，让我们来回顾一下qdiscs工作在哪里，ingress Qdiscs工作在进入Linux的TCP/IP协议栈之前， egress Qdiscs工作在报文出了CP/IP协议栈之后。

2.2、Classless Queuing Disciplines (Classless qdiscs)无分类Qdiscs

Classless qdiscs只支持最简单的规则，比如accept, drop, delay 或者 reschedule数据包。这个classless Qdiscs可以被配置在一个网络接口设备上，也只能对该网络接口设备上的所有数据包做整形，不知道对数据包和流量作分类整形。
Linux内核支持以下几种classless Qdiscs:

FIFO (pfifo 和 bfifo):
最基本的qdisc，这个只支持最基本的先进先出原则。FIFO算法分成二类，如果是pfifo, 那么它定义了一个队列长度限制；如果是bfifo, 那么它定义了一个缓冲区字节长度限制。
pfifo_fast:
这个是Linux网络接口设备默认的Qdisc。后面我们会详解pfifo_fast的具体工作原理。
Token Bucket Filter (tbf):
这个通常被称为令牌桶，用于限定某个网络接口设备的发送速率。这个机制允许短时间的超出限制，称为burst，是一种CPU占用率友好型的Qdisc。
Stochastic Fair Queuing (SFQ):
这是使用最为广泛的Qdisc。SFQ的原则是尽可能公平合理的调度传输多个数据流flow上的数据包。
Enhanced Stochastic Fair Queuing (ESFQ):
非Linux内核原生支持的Qdisc，它的工作原理与SFQ相似，但为用户提供了更多配置项如depth (flows) limit, hash table size options (SFQ中这个参数是固定值)和 hash types等，以让用户可以更好的控制流量。
Random Early Detection and Generic Random Early Detection (RED and GRED):
一种适用于骨干网的qdiscs。

除了上面列出来的Qdisc之外，还有很多各种流量整形的方法。通常SFQ和ESFQ能对流量做出非常好的整形和控制效果。

Linux默认的Qdisc是pfifo_fast。它是一种以数据包为单位的先进先出的机制，但实际上，它之所以被称为_fast是因为它提供了三个等级，0, 1和 2，数据包按照TOS字节的值被分成这三个等级。然后以下面的规则进行发送：

定义为0级的报文拥有最高的优先级
定义为1级的报文，只有在定义为0级的报文全部发送完毕后才能被发送
定义为2级的报文的优先级最低，只有定义为0和1的所有报文全部发送完毕后才能被发送

如下图我们可以看到系统是数据根据每个报文的TOS将数据包映射为0,1,2三个级别的：
TOS字节里，3-6bits被定义为TOS比特，每个bit的意义的定义如下：

然后按下表，映射成3个等级：
由于Linux默认使用pfifo_fast这种Qdisc，所以Linux是会根据数据包的TOS字节定义的优先级进行传输的，通常，类似Telnet, FTP, SMTP这些协议就是通过定义TOS 字节来优化传输效率的。

2.3、 Classful Queuing Disciplines (Classfull qdiscs)

分类classful qdiscs用于对不同类型的数据流进行分类整形，按流据流类型的不同，提供不同的QoS服务。最觉的classful qdiscs是CBQ (Class Based Queuing，基于流类型的流量整形)和HTB (Hierarchical Token Bucket分层令牌桶)。
首先，我们来理解一下classful queuing disciplines 是怎么工作的。第一个是分层，每个网络接口设备都有一个root qdisc。其次，有一个子类child class附属于这个root qdisc。这个子分类child class有自己的一个或者多个子子分类child classes，每人子子类又有自己的去真正配置如何进行数据包的传输调度qdiscs和一个或者多个的叶子分类leaf classes。如下图所示的一个5层结构：

所以CBQ 或者 HTB qdiscs 允许我们去创建自己的CBQ 或 HTB子分类 classes，以支持对不同的数据流进行不同的数据整形QoS服务。

3、tc的 qdisc, class和filter三个概念之间的关系

上图中显示的树状层次关系配置，我们需要用到以下tc命令:

tc qdisc
配置queuing disciplines.
tc class
配置classes.
tc filter
配置filters, 用于对数据流进行分类

我们可以通过调整CBQ 和 HTB的参数，来优化它们的性能。在本文中可以看到针对不同的App产生的不同流量，我们使用了不同的参数。

CBQ 的qdiscs和classes命令格式如下：

xxx@xxx-OptiPlex-3080:~$ tc qdisc add cbq help
Usage: ... cbq bandwidth BPS avpkt BYTES [ mpu BYTES ][ cell BYTES ] [ ewma LOG ]
xxx@xxx-OptiPlex-3080:~$ tc class add cbq help
Usage: ... cbq  bandwidth BPS rate BPS maxburst PKTS [ avpkt BYTES ][ minburst PKTS ] [ bounded ] [ isolated ][ allot BYTES ] [ mpu BYTES ] [ weight RATE ][ prio NUMBER ] [ cell BYTES ] [ ewma LOG ][ estimator INTERVAL TIME_CONSTANT ][ split CLASSID ] [ defmap MASK/CHANGE ][ overhead BYTES ] [ linklayer TYPE ]

HBQ 的qdiscs和classes命令格式如下：

xxx@xxx-OptiPlex-3080:~$ tc qdisc add htb help
What is "help"?
Usage: ... qdisc add ... htb [default N] [r2q N][direct_qlen P] [offload]default  minor id of class to which unclassified packets are sent {0}r2q      DRR quantums are computed as rate in Bps/r2q {10}debug    string of 16 numbers each 0-3 {0}direct_qlen  Limit of the direct queue {in packets}offload  enable hardware offload
... class add ... htb rate R1 [burst B1] [mpu B] [overhead O][prio P] [slot S] [pslot PS][ceil R2] [cburst B2] [mtu MTU] [quantum Q]rate     rate allocated to this class (class can still borrow)burst    max bytes burst which can be accumulated during idle period {computed}mpu      minimum packet size used in rate computationsoverhead per-packet size overhead used in rate computationslinklay  adapting to a linklayer e.g. atmceil     definite upper class rate (no borrows) {rate}cburst   burst but for ceil {computed}mtu      max packet size we create rate map for {1600}prio     priority of leaf; lower are served first {0}quantum  how much bytes to serve from leaf at once {use r2q}TC HTB version 3.3
xxx@xxx-OptiPlex-3080:~$ tc class add htb help
Usage: ... qdisc add ... htb [default N] [r2q N][direct_qlen P] [offload]default  minor id of class to which unclassified packets are sent {0}r2q      DRR quantums are computed as rate in Bps/r2q {10}debug    string of 16 numbers each 0-3 {0}direct_qlen  Limit of the direct queue {in packets}offload  enable hardware offload
... class add ... htb rate R1 [burst B1] [mpu B] [overhead O][prio P] [slot S] [pslot PS][ceil R2] [cburst B2] [mtu MTU] [quantum Q]rate     rate allocated to this class (class can still borrow)burst    max bytes burst which can be accumulated during idle period {computed}mpu      minimum packet size used in rate computationsoverhead per-packet size overhead used in rate computationslinklay  adapting to a linklayer e.g. atmceil     definite upper class rate (no borrows) {rate}cburst   burst but for ceil {computed}mtu      max packet size we create rate map for {1600}prio     priority of leaf; lower are served first {0}quantum  how much bytes to serve from leaf at once {use r2q}TC HTB version 3.3

Filters 是用于对数据流进行分类的。我们可以通过基于防火墙规则的fw classifier, 基于IP头的u32 classifier, route classifier或者rsvp/rsvp6 classifiers。

tc filter的命令格式如下：

xxx@xxx-OptiPlex-3080:~$ tc filter help
Usage: tc filter [ add | del | change | replace | show ] [ dev STRING ]tc filter [ add | del | change | replace | show ] [ block BLOCK_INDEX ]tc filter get dev STRING parent CLASSID protocol PROTO handle FILTERID pref PRIO FILTER_TYPEtc filter get block BLOCK_INDEX protocol PROTO handle FILTERID pref PRIO FILTER_TYPE[ pref PRIO ] protocol PROTO [ chain CHAIN_INDEX ][ estimator INTERVAL TIME_CONSTANT ][ root | ingress | egress | parent CLASSID ][ handle FILTERID ] [ [ FILTER_TYPE ] [ help | OPTIONS ] ]tc filter show [ dev STRING ] [ root | ingress | egress | parent CLASSID ]tc filter show [ block BLOCK_INDEX ]
Where:
FILTER_TYPE := { rsvp | u32 | bpf | fw | route | etc. }
FILTERID := ... format depends on classifier, see there
OPTIONS := ... try tc filter add <desired FILTER_KIND> help

一般来说，最大的需求是根据源IP地址，目标IP地址，源端口，目标端口来对数据流进行分类，所以最常用的classifier是u32 classifier。本文中，我们会同时使用fw classifier和u32 classifier。

u32 classifier 的命令参数如下：

xxx@xxx-OptiPlex-3080:~$ tc filter add u32 help
Usage: ... u32 [ match SELECTOR ... ] [ link HTID ] [ classid CLASSID ][ action ACTION_SPEC ] [ offset OFFSET_SPEC ][ ht HTID ] [ hashkey HASHKEY_SPEC ][ sample SAMPLE ] [skip_hw | skip_sw]
or         u32 divisor DIVISORWhere: SELECTOR := SAMPLE SAMPLE ...SAMPLE := { ip | ip6 | udp | tcp | icmp | u{32|16|8} | mark }SAMPLE_ARGS [ divisor DIVISOR ]FILTERID := X:Y:ZNOTE: CLASSID is parsed at hexadecimal input.

fw classifier的命令参数格式如下：

wangsheng@wangsheng-OptiPlex-3080:~$ tc filter add fw help
Usage: ... fw [ classid CLASSID ] [ indev DEV ] [ action ACTION_SPEC ]CLASSID := Push matching packets to the class identified by CLASSID with format X:YCLASSID is parsed as hexadecimal input.DEV := specify device for incoming device classification.ACTION_SPEC := Apply an action on matching packets.NOTE: handle is represented as HANDLE[/FWMASK].FWMASK is 0xffffffff by default.

3.1、一个详细配置例子

如下图，我们准备将10M带宽分给home-user, office和另外一个网络三者去使用，如下图所示：

我们准备给home user 分配1Mbps带宽，给office分配4Mbps带宽，给另外一个网络分配5Mbps带宽。

3.1.1、下面我们看一下用CBQ如何来实现。

第一步，我们在eth1网卡下添加root qdisc:

tc qdisc add dev eth1 root handle 10: cbq bandwidth 100Mbit avpkt 1000

这条命令用于

在设备eth1下增加一个Qdisc。
root这个参数表示这是一个root qdisc。
然后把这个root qdisc的handle设置成10。
cbq 表示root qdics 的类型是cbq。
bandwidth设置带宽成100Mbps，表示当前网络接口上的网络的最大带宽
avpkt表示报文的平均长度为1000

第二步，创建child class
这个子类是所有其它类的父节点。这个child class的带宽是等于root qdisc的带宽的，与网络最大可用带宽一至。

tc class add dev eth1 parent 10:0 classid 10:10 cbq bandwidth 100Mbit rate 100Mbit allot 1514 weight 10Mbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded

配置child classes的parent class，它是10:0，在这里是指root class。
配置classid 10:10
可用带宽100Mbit
rate参数，限制可用带宽为100Mbps。
allot参数：定义一次当着class可以发送的数据量。

weight参数：是给CBQ使用的，CBQ会用这个参数和allot参数去计算一次可以发送的数据量，定义了以字节为单位的数据发送速率。

  注意本文中只用到了bandwidth, rate和weight三个参数， 如果你有其它参数的问题的话，请自行查阅http://www.lartc.org/howto/lartc.qdisc.classful.html#AEN939

第三步，针对这里的家用电脑，办公室和子网络，我们为它们各定义一个leaf classes, qdiscs 和 filters

为家用电脑定义：

tc class add dev eth1 parent 10:10 classid 10:100 cbq bandwidth 100Mbit rate 1Mbit allot 1514 weight 128Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
tc qdisc add dev eth1 parent 10:100 sfq quantum 1514b perturb 15
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.1.1 flowid 10:100

我们先创建一个叫10:100的child class(这个class的rate是1Mbit， weight是128Kbit。然后，我们把一个sfq的qdisc和一个过滤目标地址为1.1.1.1的u32 filter挂在这个10:100的class下。 bounded参数表示这个class 10:100最大速率不会超过1Mbps。

为办公室定义：

#the office
tc class add dev eth1 parent 10:10 classid 10:200 cbq bandwidth 100Mbit rate 4Mbit allot 1514 weight 512Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
tc qdisc add dev eth1 parent 10:200 sfq quantum 1514b perturb 15
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.2.0/24 flowid 10:200

为子网络定义：

#the ISP
tc class add dev eth1 parent 10:10 classid 10:300 cbq bandwidth 100Mbit rate 5Mbit allot 1514 weight 640Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
tc qdisc add dev eth1 parent 10:300 sfq quantum 1514b perturb 15
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.1.2 flowid 10:300
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.3.0/24 flowid 10:300

在子网终的例子里，我们可以看到，多个filters可以被加入到同一个class里。

验证我们的配置
使用tc class show dev eth1 命令来查看：

root@router:~# tc class show dev eth1
class cbq 10: root rate 100000Kbit (bounded,isolated) prio no-transmit
class cbq 10:100 parent 10:10 leaf 806e: rate 1000Kbit (bounded) prio 5
class cbq 10:10 parent 10: rate 100000Kbit (bounded) prio 5
class cbq 10:200 parent 10:10 leaf 806f: rate 4000Kbit (bounded) prio 5
class cbq 10:300 parent 10:10 leaf 8070: rate 5000Kbit (bounded) prio 5

现在我们可以看出来，class是用来做流量整形的，我们发送3个ping报文到1.1.1.1，然后使用tc -s class show dev eth1命令去查看CBQ class是不是命中了这三个报文。

root@router:~# tc -s class show dev eth1 | fgrep -A 2 10:100
class cbq 10:100 parent 10:10 leaf 806e: rate 1000Kbit (bounded) prio 5
Sent 294 bytes 3 pkts (dropped 0, overlimits 0)
borrowed 0 overactions 0 avgidle 184151 undertime 0

我们可以看到，所有的配置都正常生效了。

3.1.2、下面我们看一下用HTB如何来实现。

删除之前添加的CBQ root qdisc：

root@router:~# tc qdisc del root dev eth1

添加HTB的root qdisc:

tc qdisc add dev eth1 root handle 10: htb

创建child class 10:10

tc class add dev eth1 parent 10:0 classid 10:10 htb rate 100Mbit

为家用电脑，办公室室和子网络创建class, qdisc和filter:

# home user
tc class add dev eth1 parent 10:10 classid 10:100 htb rate 1Mbit
tc qdisc add dev eth1 parent 10:100 sfq quantum 1514b perturb 15
tc filter add dev eth1 protocol ip parent 10:0 prio 5 u32 match ip dst 1.1.1.1 flowid 10:100#the office
tc class add dev eth1 parent 10:10 classid 10:200 htb rate 4Mbit
tc qdisc add dev eth1 parent 10:200 sfq quantum 1514b perturb 15
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.2.0/24 flowid 10:200#the ISP
tc class add dev eth1 parent 10:10 classid 10:300 htb rate 5Mbit
tc qdisc add dev eth1 parent 10:300 sfq quantum 1514b perturb 15
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.1.2 flowid 10:300
tc filter add dev eth1 parent 10:0 protocol ip prio 5 u32 match ip dst 1.1.3.0/24 flowid 10:300

用tc class show dev eth1确认配置

root@router:~# tc class show dev eth1
class htb 10:10 root rate 100000Kbit ceil 100000Kbit burst 126575b cburst 126575b
class htb 10:100 parent 10:10 leaf 8072: prio 0 rate 1000Kbit ceil 1000Kbit burst 2849b cburst 2849b
class htb 10:200 parent 10:10 leaf 8073: prio 0 rate 4000Kbit ceil 4000Kbit burst 6599b cburst 6599b
class htb 10:300 parent 10:10 leaf 8074: prio 0 rate 5000Kbit ceil 5000Kbit burst 7849b cburst 7849b

验证数据包是不是命中class

root@router:~# tc -s class show dev eth1 | fgrep -A 4 10:100
class htb 10:100 parent 10:10 leaf 8072: prio 0 rate 1000Kbit ceil
1000Kbit burst 2849b cburst 2849b
Sent 294 bytes 3 pkts (dropped 0, overlimits 0)
rate 24bit
lended: 3 borrowed: 0 giants: 0
tokens: 18048 ctokens: 18048

4、汇总

本文介绍了netfilter/iptables和iproute2。我们如果想构建自己的防火墙的话，很重要的是理解报文是在哪里如何被分析的。所以在qdiscs工作在哪里这篇文章中，我们介绍了数据报文进入Linux后，是如何在filter, nat, mangle , raw这些table里转发的。使用iptables命令，我们可以在tables的chain里(append, insert, delete, list)规则，然后给命中这些规则的报文设置一个target (DROP, ACCEPT, REJECT, LOG) 来告诉Linux应该如何处理这些被规则命中的报文。
我们介绍了 iproute2的二个工具软件ip和tc。同时我们学习了Qdiscs的工作原理，并以CBQ和HTB这二种Qdiscs为例，讲述了如何配置Qdiscs以实现QoS。

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