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Linux网络流量控制实现 文档编号：00-6201-100 当前版本： 创建日期：2011-6-13 编写作者：ganjingwei Linux网络流量控制实现 摘要 Linux提供了一套丰富的流量控制功能。这篇文章介绍了各个内核代码的设计，描述了其结构，并通过描述一个新的排队规则来说明新元素的加入。 1 介绍 最近发行的Linux内核提供了很多类型的流量控制功能。流量控制的核心部分，以及一些用来控制它们的用户空间程序已被Alexey Kuznetsovkuznet@ms2.inr.ac.ru实现。这项工作的灵感来自于[1]中描述的概念，但它也包括支持IETF“集成服务”团队开发的架构所需机制[2]，并且将作为支持更近期的“区分服务”的基础[3]。另见[4]中关于集成服务和区分服务如何相关的进一步细节。这篇文章介绍了底层架构，并描述如何增添新的流量控制功能到Linux内核。我们使用的内核版本是2.2.6。 图1大致说明了内核进程如何从网络接收数据，以及如何生成新的在网络上发送的数据：传入的数据包被检查，然后要么直接转发到网络（例如：在不同的接口，在机器充当路由或者网桥的时候），要么提交给协议栈中的更高层（例如：移交给像UDP或TCP这样的传输层协议）来进行进一步的处理。这些高层也可能产生他们自己的数据并把数据提交给低层，以完成诸如封装、路由以及最终的传输这样的任务。 “转发”包括输出接口的选择，下一跳路由的选择，封装等。这一切都完成了以后，数据包在各自的输出接口排队。这里便是流量控制工作的地方。流量控制可以在做其他事之前决定数据包要排队还是丢弃（例如：如果该队列已达到一定长度的限制，或者超过一定的流量限速），可以决定数据包的发送顺序（例如：给某些数据流优先级），可以延迟数据包的发送（例如：限制输出流量速率），等等。 一旦流量控制给出一个数据包准备发送，网卡驱动马上得到这个数据包并把它发到网络上。 第2部分至第4部分给出一个概述，并解释一些术语。第5部分至第8部分更详细地描述了Linux内核中流量控制的元素。第9部分描述了一个已被笔者实现的排队规则。 2 概述 Linux内核中的流量控制代码主要包括以下概念： 队列规则 类 (对应一种队列规则) 分离器 策略 图1：网络数据处理流程 每个网络设备都有一个与它关联的队列规则，以控制进入队列的数据包如何被操作。一个非常简单的队列规则可以只包含一个单一的队列，所有的数据包将存放在其中，并按照进队的顺序排序，设备尽自己的努力取出它们并发送。图2展示了一个没有外部可见的内部结构队列规则。 图2：一个不分类的队列规则 更复杂的队列规则可能会用分离器来区分不同类别的数据包并按照特定的方式处理每个类，例如：给一个类高于其他类的优先级。 图3展示了一个队列规则的例子。注意，多个分离器可以映射到同一个类。 队列规则和类是紧密联系的： 类和类的含义是队列规则的基本属性。相反地，分离器可以与队列规则和类任意组合，只要队列规则和类对应就行。但是灵活性还在——类一般不管如何保存它们这个类别的数据包，而是通过队列规则来做到这一点。可以通过设置可用的队列规则来任意选择这个队列规则，它很可能已经有类，反过来又包含队列规则，等等。 图4展示了这样一个堆栈的例子：首先，这里有一个含有两个延迟优先级的队列规则。被分离器挑选的数据包进入高优先级的类，其他包进入低优先级的类。只要高优先级队列中有数据包，就先发送高优先级的包（例如：sch_prio队列就是这样工作的）。为了防止低优先级的流量完全得不到发送，我们使用一个令牌桶过滤器（TBF），使得速率最高1Mbps。最后，低优先级队列的数据包通过先进先出队列规则来排队。注意，有更好的方法来做到我们这里做到的结果，例如：使用基于类的队列（CBQ）[5]。 数据包像这样进入队列：当一个队列规则的入队函数被调用，它运行一个又一个分离器直到其中一个表示匹配。然后它按照相应的类给这个包排序，一般是通过请求这个类“拥有”的队列规则的入队函数。不匹配任何分离器的数据包都被归到默认类中。 通常情况下每个类“拥有”一个队列，但是原则上也可能若干个类共用同一个队列，或者甚至一个队列被各自的队列规则的所有类使用。但是要注意，数据包不包含关于这个包属于哪个类的任何明确信息。如果“内部”队列被共享，当数据包出队的时候改变每个类的信息的队列规则（例如：CBQ）可能因此不能正确地工作，除非他们能重新被分类或者是通过其他方式在进队到出队的过程中跳过分类的结果。 通常，当数据包进队列的时候，符合的数据流能够被处理，例如：丢弃超过流速的数据包。 我们将不会再试图引进新的术语来区分算法，更不会有他们的实现，实例。而是在本文整个过程中使用队列规则，类，以及分离器这些术语。用来同时指代三个抽象级别。 3 源代码