Linux 的帶寬管理系統(tǒng)
2001-11-06 09:10:00· 溫福才· 中國(guó)Linux論壇
Linux 包含復(fù)雜的帶寬管理系統(tǒng) TC (流量控制，Traffic Control)。該系統(tǒng)支持分類(lèi)、優(yōu)先、共享和輸入、輸出流量限制等。這套系統(tǒng)可以與專(zhuān)用的帶寬管理系統(tǒng)相媲美。
1. 基本的構(gòu)成塊
tc 包括三個(gè)基本的構(gòu)成塊： 隊(duì)列規(guī)定（queueing discipline ）、類(lèi)（class）和分類(lèi)器（Classifiers） 。
隊(duì)列規(guī)定可以看作設(shè)備的流量/數(shù)據(jù)包管理器。 隊(duì)列規(guī)定內(nèi)封裝了其他兩個(gè)主要TC組件（類(lèi)和分類(lèi)器），控制數(shù)據(jù)的流動(dòng)。
目前，有一些設(shè)備隊(duì)列規(guī)定可以用來(lái)管理設(shè)備，包括類(lèi)基隊(duì)列（CBQ），優(yōu)先級(jí)和CSZ （Clark-Shenker-Zhang）等。CBQ 是一種超級(jí)隊(duì)列，即它能夠包含其它隊(duì)列（甚至其它CBQ）。
類(lèi)由設(shè)備隊(duì)列規(guī)定來(lái)管理。類(lèi)由若干規(guī)則（rule）構(gòu)成，這些規(guī)則用以管理那個(gè)類(lèi)所擁有的數(shù)據(jù)。例如，某類(lèi)里的全部數(shù)據(jù)包都受到 1 Mbps的速率限度，而在午夜和早上6點(diǎn)的一段時(shí)間段內(nèi)允許最高達(dá) 3 Mbps。
一些隊(duì)列規(guī)定可以綁定到類(lèi)上，包括FIFO（先進(jìn)先出），RED（隨機(jī)早期探測(cè)），SFQ（隨機(jī)公平隊(duì)列）和令牌桶（Token Bucket）。
如果設(shè)備上未綁定隊(duì)列規(guī)定，則使用基本的FIFO。另外， CBQ，CSZ和優(yōu)先級(jí)也能用于類(lèi)，以及類(lèi)的子類(lèi)。這表明使用TC，可以輕松地建造非常復(fù)雜的流量控制。管理類(lèi)的隊(duì)列規(guī)定可以稱(chēng)為類(lèi)隊(duì)列規(guī)定（class queueing disciplines）。
一般地，類(lèi)隊(duì)列規(guī)定管理該類(lèi)的數(shù)據(jù)和隊(duì)列，能決定延遲、丟掉或者重新分類(lèi)它管理的包。分類(lèi)器或過(guò)濾器描述包，并且把他們映射到隊(duì)列規(guī)定所管理的類(lèi)。
這些過(guò)濾器通常都提供簡(jiǎn)單的描述語(yǔ)言，指定選擇包、把包映射到類(lèi)的方法。
目前，TC可以使用的過(guò)濾器有：fwmark分類(lèi)器，u32分類(lèi)器，基于路由的分類(lèi)器和RSVP分類(lèi)器（分別用于IPV6、IPV4）等；其中，fwmark分類(lèi)器允許我們使用 Linux netfilter 代碼選擇流量，而u32分類(lèi)器允許我們選擇基于 ANY 頭的流量 。所有的防火墻過(guò)濾器， 例如，ipchains，都能用來(lái)分類(lèi)包。
TC代碼位于內(nèi)核，不同的功能塊既能編譯為模塊，也能直接編進(jìn)內(nèi)核。 與內(nèi)核代碼或模塊的通信和配置由用戶(hù)級(jí)程序tc完成。
2. 示例
2.1 編譯內(nèi)核
首先要確保選中 Kernel/User netlink socket，因?yàn)橹挥羞@樣 tc 才能通過(guò) netlink 與內(nèi)核通訊。
然后，把隊(duì)列規(guī)定和分類(lèi)器都編進(jìn)內(nèi)核。這其中包括：
QoS or fair queueing, CBQ packet scheduler, CSZ packet scheduler, the simplest PRIO pseudoscheduler, RED queue, SFQ queue, TBF queue, QoS support, rate estimator, packet classifier API, routing-tables-based classifier, U32 classifier, special RSVP classifier 和 special RSVP classifier for IPv6。
然后就是大家熟知的編譯和安裝過(guò)程了。
2.2 建立
[因特網(wǎng)] ---〈E3、T3 等〉--- [Linux 路由器] --- [Office+ISP]
eth1 eth0
上圖中的 Linux 路由器有兩個(gè)接口，不妨稱(chēng)之為 eth0 和 eth1。eth1 連接到路由器， eth0 連接到包括公司防火墻在內(nèi)的子網(wǎng)上。
由于我們只能限制發(fā)送的內(nèi)容，所以我們需要兩套獨(dú)立的、但可能非常相似的規(guī)則集。我們可以通過(guò)改變發(fā)送次序來(lái)控制傳輸速率。通過(guò)修改 eth0 上的隊(duì)列，我們可以確定客戶(hù) 的下載（download）速率；通過(guò)修改 eth1 上的隊(duì)列，我們可以確定我們公司自己的用 戶(hù)的上載（upload）速率。
比如說(shuō)，公司連接到因特網(wǎng)的線(xiàn)路帶寬為 10 兆，同時(shí)滿(mǎn)足外部客戶(hù)和公司自己用戶(hù)的需要；此時(shí)，我們就需要一種策略，來(lái)進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)。CBQ 就可以滿(mǎn)足我們的要求。
我們有兩個(gè)主類(lèi)：‘ISP‘ 和 ‘Office‘。我們可以決定，客戶(hù)有 8 兆的帶寬，Office用戶(hù)有 2 兆的帶寬。
我們首先發(fā)布如下的命令：
# tc qdisc add dev eth0 root handle 10: cbq bandwidth 10Mbit avpkt 1000
其含義是：我們配置了 eth0 的隊(duì)列規(guī)定，root 表示這是根（root）規(guī)定，其句柄 （handle）設(shè)定為 10:‘。 其類(lèi)型為 CBQ。帶寬為 10 M，平均包大小為 1000 字節(jié)。
下面生成根類(lèi)（root class）：
# tc class add dev eth0 parent 10:0 classid 10:1 cbq bandwidth 10Mbit rate \
10Mbit allot 1514 weight 1Mbit prio 8 maxburst 20 avpkt 1000
這條命令其實(shí)不比前一條命令有更多的含義。其中，1514 是 MTU 的值。
下面生成 ISP 類(lèi)：
# tc class add dev eth0 parent 10:1 classid 10:100 cbq bandwidth 10Mbit rate \
8Mbit allot 1514 weight 800Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
我們分配了 8 兆的帶寬給它，其中 bounded 表示該類(lèi)不能超過(guò)該閥值。
下面生成 Office 類(lèi)：
# tc class add dev eth0 parent 10:1 classid 10:200 cbq bandwidth 10Mbit rate \
2Mbit allot 1514 weight 200Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 bounded
為了更清晰起見(jiàn)，我們的類(lèi)可以用下圖表示：
我們已經(jīng)向內(nèi)核通知了我們的類(lèi)，我們還需要告訴內(nèi)核如何管理隊(duì)列，如下所示：
# tc qdisc add dev eth0 parent 10:100 sfq quantum 1514b perturb 15
# tc qdisc add dev eth0 parent 10:200 sfq quantum 1514b perturb 15
這里，我們使用了隨機(jī)公平隊(duì)列（sfq），在消耗 CPU 周期較少的情況下，其性能還是可以接受的。其它一些隊(duì)列規(guī)定可能更好，但要占用較多的 CPU 資源。令牌桶過(guò)濾器也經(jīng)常使用。
下面還有一件事要作：告訴內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)包和類(lèi)的映射關(guān)系。
# tc filter add dev eth0 parent 10:0 protocol ip prio 100 u32 match ip dst \
150.151.23.24 flowid 10:200
# tc filter add dev eth0 parent 10:0 protocol ip prio 25 u32 match ip dst \
150.151.0.0/16 flowid 10:100
這里，我們假定 Office 位于防火墻 150.151.23.24 的后面，其它 IP 地址都屬于 ISP。 u32 匹配是一種比較簡(jiǎn)單的匹配，我們可以使用 netfilter 生成更加復(fù)雜的匹配規(guī)則。
我們已經(jīng)分配了下載帶寬，下面是上載帶寬的分配：
# tc qdisc add dev eth1 root handle 20: cbq bandwidth 10Mbit avpkt 1000
# tc class add dev eth1 parent 20:0 classid 20:1 cbq bandwidth 10Mbit rate \
10Mbit allot 1514 weight 1Mbit prio 8 maxburst 20 avpkt 1000
# tc class add dev eth1 parent 20:1 classid 20:100 cbq bandwidth 10Mbit rate \
8Mbit allot 1514 weight 800Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 \
bounded
# tc class add dev eth1 parent 20:1 classid 20:200 cbq bandwidth 10Mbit rate \
2Mbit allot 1514 weight 200Kbit prio 5 maxburst 20 avpkt 1000 \
bounded
# tc qdisc add dev eth1 parent 20:100 sfq quantum 1514b perturb 15
# tc qdisc add dev eth1 parent 20:200 sfq quantum 1514b perturb 15
# tc filter add dev eth1 parent 20:0 protocol ip prio 100 u32 match ip src \
150.151.23.24 flowid 20:200
# tc filter add dev eth1 parent 20:0 protocol ip prio 25 u32 match ip src \
150.151.0.0/16 flowid 20:100
這與前面的描述基本一致，所以就不做更多的解釋了。
注：
在前面的例子中，我們注意到：即使 ISP 客戶(hù)多數(shù)離線(xiàn)，我們的 Office 用戶(hù)也仍然只 有 2 M 的帶寬，這是相當(dāng)浪費(fèi)的。我們可以刪掉 ‘bounded‘ 參數(shù)，這樣，各類(lèi)之間就可以相互借用帶寬了。
但是，某些類(lèi)也許不希望向其它類(lèi)借用帶寬；比如，一條線(xiàn)路上的兩個(gè)互為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的 ISP 的情況。在這種情況下，我們可以加上關(guān)鍵字 ‘isolated‘。
3. 結(jié)束語(yǔ)
目前，Linux 所提供的 QoS（服務(wù)質(zhì)量）是所有操作系統(tǒng)中最復(fù)雜、最完善的。另外， BSD 的 ALTQ 應(yīng)該說(shuō)也相當(dāng)不錯(cuò)；但是，在復(fù)雜性、靈活性和可擴(kuò)展性等方面要落后 Linux 一大截。我不太清楚微軟的產(chǎn)品是否提供了這方面的功能。Sun 的 Solaris 提供 了 CBQ 和 RSVP 的功能。
Linux 也支持 IETF diffserv 特征。Linux 在 QoS 方面眾多的特征，將極大提升 Linux 的市場(chǎng)占有率。
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