1 应用场景

tc(Traffic Control) 顾名思义主要用来做流量控制的，linux 内核支持的 Traffic Control 主要包括：流量整形（SHAPING）、流量调度（SCHEDULING）、策略（POLICING）、丢弃（DROPPING）。policing 和 dropping 主要是在入方向 ingress 做，shaping 和 scheduling 在 出方向 egress 方向做。在 linux 需要做带宽限速或 qos 的可以使用 tc 来实现。

2 Traffic Control介绍

linux 中 tc 是由 iproute2 实现的，iproute2 还包括了 ip link，ipset 等一些网络相关的实现，iproute2 使用 netlink 来实现 userspace 和 kernelspace 的交互，从而来实现以上的功能。这里有一个对 iproute2 的 golang 封装推荐一下 netlink。

2.1 一个 tc htb 限速的配置例子

iptables -t mangle -I PREROUTING -s 192.168.88.0/24 -m comment --comment "xxxx" -j MARK --set-mark 0xa  # 这边的mark 0xa 跟后面 tc filter 的handle 0xa要对应上

tc qdisc add dev ppp2181 root handle 1:0 htb default 1
tc class add dev ppp2181 parent 1:0 classid 1:1 htb rate 1000Mbit ceil 1000Mbit prio 0
tc class add dev ppp2181 parent 1:1 classid 1:10 htb rate 4Mbit ceil 8Mbit prio 1 burst 96kbit
tc qdisc add dev ppp2181 parent 1:10 handle 10: sfq perturb 10
tc filter add dev ppp2181 parent 1:0 protocol ip prio 1 handle 0xa fw classid 1:10  # classid 1:10 不一定要对应 iptable mangle 的 mark，关键是handle 0xa 对应即可

这个例子实现的功能是对源IP为 192.168.88.0/24 的流量限速为基础速率为 4Mbit（可突破到8Mbit）。大概的实现流程是使用 iptables 对源IP为 192.168.88.0/24 的流量打 mark, 然后 tc 根据 iptables 的这个 mark 将流量 filter 到某个 class， 在这个 class 里面配置限速的策略。

2.2 tc 简介

tc 主要是通过排队的方式，通过制定不同的排队策略（对应不同的算法比如 CBQ、HTB）来对要发送的包进行整形限速。所以 tc 的策略是针对出方向egress的。要对入方向ingress进行限速，理论上是需要发送方进行配合的，但是我们可通过一些变通的方式来实现ingress的限速。

从上面的例子我们看到 tc 的实现主要通过 qdisc、class、filter 来实现，qdisc、class、filter 组件形成了一个树形结构来对这个限速策略进行描述。
先来了解一下这几个术语：

• qdisc（Queueing Discipline）排队规则，管理设备队列的算法。
• class 可以简单的理解为对要限速的流量进行分类，比如我们将不同的进程进行分类，分成不同的 class，然后每个 class 里面配置对应的限速策略
• filter 过滤器，分类过程可以通过过滤器（filter）完成。过滤器包含许多的判 断条件，匹配到条件之后就算 filter 匹配成功了。
• handle，每个 qdisc 和 class 都会分配一个相应的 handle（句柄），可以指定 handle 对 qdisc 进行配置。有了 handle 我们可以将 qdisc、class 组成一个树形的结构。每个 handle 由两部分组成，:，major，minor取值范围是0-65535，书写规范上协作16进制。按照惯例，root qdisc 的 handle 为 1:，这是 1:0 的简写，每个 qdisc 的 minor number 永远是 0。

                     1:   root qdisc
                      |
                     1:1    child class
                   /  |  \
                  /   |   \
                 /    |    \
                 /    |    \
              1:10  1:11  1:12   child classes
               |      |     |
               |     11:    |    leaf class
               |            |
               10:         12:   qdisc
              /   \       /   \
           10:1  10:2   12:1  12:2   leaf classes

那么 tc 的策略是在作用在包流转的哪个环节呢，从下面这张经典的 netfilter package flow 可以看出 tc 的 ingress qdisc 是作用在 prerouting 之前，egress qdisc 作用在 postrouting 之后。在多网卡的情况下，每个网卡都有自己的 ingress 和 egress hooks。

2.3 qdisc

qdisc 有 classless qdisc 和 class qdisc 两种。从字面上来理解 classless qdisc 是指无类别的排队规则，即不通过 tc 配置来对流量进行分类，而是使用 qdisc 预定义的规则来进行分类排队，比如 pfifo_fast qdisc 。 class qdisc 则指可以通过 tc 配置来将流经接口的流量进行分类，然后对不同的类运用对应的规则。通过 man tc 可以看到 tc 支持非常多中算法的 qdisc，我们各挑一个比较经典的来介绍一下。

2.3.1 pfifo_fast qdisc

pfifo_fast qdisc 是大部分 linux 网口默认的配置，是一个先入先出队列，对所有包都一视同仁。

pfifo_fast 有三个所谓的 “band”（可理解为三个队列），编号分别为 0、1、2：

• 每个 band 上分别执行 FIFO 规则。
• 如果 band 0 有数据，就不会处理 band 1；同理，band 1 有数据时， 不会去处理 band 2。
• 内核会检查数据包的 TOS 字段，将“最小延迟”的包放到 band 0

所以配置了 pfifo_fast 的网口怎么确定哪个包要进入那个 band 呢？并不是随机的，而是由 TOS(Type of Service) 决定的。TOS 是 IP 报文头里面约定的，TOS 的值和 band 0-2 的映射关系由 priomap 来决定

TOS     Bits  Means                    Linux Priority    Band
  ------------------------------------------------------------
  0x0     0     Normal Service           0 Best Effort     1
  0x2     1     Minimize Monetary Cost   1 Filler          2
  0x4     2     Maximize Reliability     0 Best Effort     1
  0x6     3     mmc+mr                   0 Best Effort     1
  0x8     4     Maximize Throughput      2 Bulk            2
  0xa     5     mmc+mt                   2 Bulk            2
  0xc     6     mr+mt                    2 Bulk            2
  0xe     7     mmc+mr+mt                2 Bulk            2
  0x10    8     Minimize Delay           6 Interactive     0
  0x12    9     mmc+md                   6 Interactive     0
  0x14    10    mr+md                    6 Interactive     0
  0x16    11    mmc+mr+md                6 Interactive     0
  0x18    12    mt+md                    4 Int. Bulk       1
  0x1a    13    mmc+mt+md                4 Int. Bulk       1
  0x1c    14    mr+mt+md                 4 Int. Bulk       1
  0x1e    15    mmc+mr+mt+md             4 Int. Bulk       1

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                    Example Internet Datagram Header

tc -s qdisc show dev eth0 # 查看 eth0 网口配置的 qdisc，priomap为 TOS 映射到 band 的规则
qdisc pfifo_fast 0: root refcnt 2 bands 3 priomap  1 2 2 2 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
 Sent 26183696597 bytes 201000920 pkt (dropped 0, overlimits 0 requeues 0)
 rate 0bit 0pps backlog 0b 0p requeues 0

2.3.2 HTB(Hierarchical Token Bucket)

HTB是比较推荐的 linux 上的限速策略，能够实现以下几个功能：

• 有一个固定总带宽，想将其分割成几个部分，分别用作不同目的
• 每个部分的带宽是有保证的（guaranteed bandwidth）
• 还可以指定每个部分向其他部分借带宽

借助 Token 来实现流量整形大概的原理是，按照一定的速率来生成 token（这样 token 的数量就跟速率相关），然后给每个包分配 token，有 token 的包可以排队出队，从而达到限速的效果。HTB 是一个分层级令牌桶，从而实现分层的限速效果。比如给网口限制一个总的限速策略，然后将流量按照一定规则分成不同 class，对每个 class 分别配置 保证带宽和可以像其他部分借的带宽（通过 htb 的 rate 和 ceil 参数来配置）。

一个具体的配置实例：

                    root 1:
                      |
                    _1:1_  # htb rate 1000Mbit ceil 1000Mbit
                   /     \
                  /       \
                 /         \
               10:         11:  # handle 10:，11: 对应两个 class 的handle

tc qdisc add dev ppp2181 root handle 1:0 htb default 1 # root handle
tc class add dev ppp2181 parent 1:0 classid 1:1 htb rate 1000Mbit ceil 1000Mbit prio 0  # root handle 的限速策略，配置成网卡带宽
tc class add dev ppp2181 parent 1:1 classid 1:10 htb rate 4Mbit ceil 8Mbit prio 1 burst 96kbit # classid 1:10 这个类的限速策略配置
tc qdisc add dev ppp2181 parent 1:10 handle 10: sfq perturb 10
tc class add dev ppp2181 parent 1:1 classid 1:11 htb rate 6Mbit ceil 7Mbit prio 1 burst 96kbit # classid 1:11 这个类的限速策略配置
tc filter add dev ppp2181 parent 1:0 protocol ip prio 1 handle 0xa fw classid 1:10  # classid 1:10 不一定要对应 iptable mangle 的 mark，关键是handle 0xa。filter将包根据过滤规则分到了对应的 class
tc filter add dev ppp2181 parent 1:0 protocol ip prio 1 handle 0xb fw classid 1:11  # classid 1:11 

2.4 filter

filter 在 tc 内负责将包分类到对应的 class，tc 支持非常丰富的 filter 来对包进行分类。以下简要说明几个常用的 filter

• u32，u32非常强大，可以根据五元组（源ip，源端口，协议，目的ip，目的端口）等信息来过滤分类数据包
• bpf 可以根据 eBPF 的信息来过滤数据包
• cgroup 根据 cgroup id 来过滤包，这个就能够将 docker 配置的 cgroup id 跟 tc结合起来，对容器进行限速
• fw 根据 fwmark 来进行过滤，这样能够跟 iptables 结合来实现丰富的过滤策略。

2.5 ingress 流量整形

tc 的流量整形是针对 egress 方向的，如果要对 ingress 方向流量做整形，比较常见的解决方案是使用 IFB（Intermediate Functional Block Device）或 IMQ（Intermediate Queueing Device）。 IFB作为IMQ的替代品，实现更简单。可以将其他接口的流量重定向到这个接口，然后对 IFB 的接口做限速从而实现对原网口的 ingress 限速。

启用所有ifb接口：

ip link add ifbxxx type ifb
ip link set dev ifbxxx up

并将入口流量从物理接口重定向到相应的ifb接口。对于ppp2181-> ifbxxx：

tc qdisc add dev ppp2181 handle ffff: ingress
tc filter add dev ppp2181 parent ffff: protocol ip u32 match u32 0 0 action mirred egress redirect dev ifbxxx

2.6 cgroup+tc 实现对容器的限速

从上面的介绍已经清楚了 tc 的限速配置，要将容器和 tc 策略关联起来，需要首先给容器的 cgroup net 配置一个 cgroup id（classid），然后在 tc filter 将这个 cgroup id（classid）和某个 class 关联起来。

cd /sys/fs/cgroup/net_cls/docker/[containerID]
echo 0x1000b > net_cls.classid # 给容器的 cgroup net 配置一个 cgroup id（classid）


tc qdisc add dev ppp2181 root handle 1:0 htb default 1
tc class add dev ppp2181 parent 1:0 classid 1:1 htb rate 1000Mbit ceil 1000Mbit prio 0
tc class add dev ppp2181 parent 1:1 classid 1:b htb rate 4Mbit ceil 4Mbit prio 1 burst 96kbit
tc qdisc add dev ppp2181 parent 1:b handle b: sfq perturb 10
tc filter add dev ppp2181 parent 1: protocol ip handle 0xb: cgroup

3 参考资料

• 1 Linux Advanced Routing & Traffic Control HOWTO
• 2 Traffic Control HOWTO