Linux流量控制（一）--排队规则

Linux操作系统中的流量控制框架创建了一个通用环境，它集成了所有用于限制和流量整形的可以互联的不同元素。在实际操作中这些元素甚至可以作为一个模块动态地加载和卸载。

TC（Traffic Control）工具提供了一个命令行用户接口来配置Linux流量控制。该工具让用户可以设定并配置几乎所有的流量控制框架要素，比如排队规则（qdisc）、类（class）及过滤器（filter），他们之间的关系见下图。

    排队规则：每个网络设备配有一个排队规则。通常，要发送的报文被送到一个排队规则中并且按照特定规则在此队列中排序。

    类：排队规则可以有多个接口，这些接口用于向队列管理插入报文。在单个排队规则中，可以把报文分配到不同的类。

    过滤器：通常用来将外发报文分片到排队规则的类中。

      排队规则

Linux可支持无类排队规则和分类排队规则。无类排队规则包括FIFO（先进先出）、TBF（令牌桶过滤器）、SFQ（随机公平队列）等；分类排队规则包括PRIO（优先级）、CBQ（类基队列）、HTB（分层令牌桶）等。

FIFO

FIFO（pfifo_fast）

先进先出。它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。而三个波段的优先级也不相同，band 0的优先级最高，band 2的最低。如果band 0里面有数据包，系统就不会处理band 1里面的数据包，band 1和band 2之间也是一样。数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配多三个波段里面的。

pfifo_fast 队列规定作为硬性的缺省设置，不能对它进行配置。

TBF & HTB

令牌桶过滤器（Token Bucket Filter，TBF）是一个简单的队列，它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 的实现在于一个缓冲器（桶），它不断地被一些称为令牌的虚拟数据以特定速率填充。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。每个到来的令牌从数据队列中收集一个数据包，然后从桶中被删除。如下图。

这个算法将令牌流和数据流进行了紧密的关联，我们有以下三种情景：

    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。  

    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。  

    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”。如果数据包持续到来，将发生丢包。

TBF提供了一些可控参数，如令牌桶大小、令牌流入速率、峰值速率、排队时延等。

例如：# tc qdisc add dev eth0 root tbf rate 512kbit latency 30ms burst 1600

它的意思是在eth0上设置一个tbf过滤队列，网络带宽为512kbit，延迟为30m，突发数据量（缓冲区）为1600个字节。

分层令牌桶（Hierarchical Token Bucket，HTB）即分类的令牌桶过滤器，它可以通过TBF实现带宽限制，也能够划分类别的优先级。

SFQ

SFQ（Stochastic Fairness Queueing，随机公平队列）是公平队列算法家族中的一个简单实现。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”（或称作“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。

这种方式非常公平，保证了每一个会话都不会没其它会话所淹没。SFQ 之所以被称为“随机”，是因为它并不是真的为每一个会话创建一个队列，而是使用一个散列算法，把所有的会话映射到有限的几个队列中去。  

因为使用了散列，所以可能多个会话分配在同一个队列里，从而需要共享发包的机会，也就是共享带宽。为了不让这种效应太明显，SFQ 会频繁地改变散列算法，以便把这种效应控制在几秒钟之内。

需要注意的是：只有当出口网卡确实已经挤满了的时候，SFQ才会起作用，否则在Linux 机器中根本就不会有队列，SFQ 也就不会起作用。

SFQ基本上不需要手工调整：它的参数有perturb和quantum。

       例如：# tc qdisc add dev ppp0 root sfq perturb 10

# tc -s -d qdisc ls

qdisc sfq 800c: dev ppp0 quantum 1514b limit 128p flows 128/1024 perturb 10sec

Sent 4812 bytes 62 pkts （dropped 0, overlimits 0）

“800c:”这个号码是系统自动分配的一个句柄号，“limit”意思是这个队列中可以有128 个数据包排队等待。一共可以有1024 个散列目标可以用于速率审计，而其中128 个可以同时激活。每隔10 秒种散列算法更换一次。

PRIO

PRIO 队列规定并不进行整形，它仅仅根据配置的过滤器把流量进一步细分。可以认为PRIO 队列规定是pfifo_fast 的一种衍生物，区别在每个波段都是一个单独的类，而非简单的FIFO。

当数据包进入PRIO 队列规定后，将根据你给定的过滤器设置选择一个类。缺省情况下有三个类，这些类仅包含纯FIFO 队列规定而没有更多的内部结构。可以把它们替换成需要的任何队列规定。

每当有一个数据包需要出队时，首先处理:1类。只有当标号更小的类中没有需要处理的包时，才会标号大的类。

当希望不仅仅依靠包的TOS，而是想使用tc所提供的更强大的功能来进行数据包的优先权划分时，可以使用这个队列规定。它也可以包含更多的队列规定，而pfifo_fast 却只能包含简单的fifo 队列规定。

因为它不进行整形，所以使用时与SFQ 有相同的考虑：要么确保这个网卡的带宽确实已经占满，要么把它包含在一个能够整形的分类的队列规定的内部。后者几乎涵盖了所有cable modems 和DSL 设备。

严格地说，PRIO 队列规定是一种Work-Conserving 调度。

CBQ

CBQ（Class Based Queueing，基于类的队列）是一种基于类的算法，根据流量特征处理数据包，并确保一定的传输速率。接收的数据包根据变量如差分服务代码点（DSCP：Differentiated Services Code Point）中的IP协议头、IP 地址、应用程序或协议、URL或其它信息等进行分类。每类流量被分配到指定的FIFO（First In First Out）队列，其中每个队列的使用由部分路由器总带宽决定。如果队列为空闲，带宽便可以供其它队列使用。同时CBQ也是一种QoS方案，用于识别不同类型的流量并根据预置的参数对流量进行排队。

它是最复杂、最琐碎、最难以理解的队列规定。这是因为CBQ算法本身的不精确，而且与Linux 的内在机制不协调造成的。