使用nftables和tc在linux上實現QoS

前言

在家中的網路會需要做QoS，主要是因為ISP的限速策略做的挺爛的，我家的ISP是屬於二級ISP，簡單來說就是他會和中華電信買幾條網路，在往下分租給整棟樓的人。

我家的網路是100/10Mbps (down/up)，與ISP的鏈路速度是100Mbps full duplex，下載當然沒什麼問題，就跑滿鏈路速度，但是上傳就有問題了，ISP允許客戶以鏈路速度進行上傳，但當滿速上傳時只要0.1秒就會達成速度上限，然後ISP就會直接drop掉你後面0.9秒的流量(大約)，這就導致只要有東西在上傳，那麼其他人的延遲會直接從 < 30ms，跳到 > 4000ms以上，所以只好在內部先對上行流量做完整型限制後再上傳，以此來控制延遲。

介紹

tc (traffic control)

tc一般都只對出站(egress)流量進行操作，雖然也可以對入站(ingress)流量進行操作，但相比出站的操作就少很多，所以如果要限制下載速度的話，一般就是在內網對應的網卡上進行限制(這裡的出站流量相當於內網的下載)

結構介紹

tc由三個部分組成

  • qdisc (queueing discipline)： 隊列規則
  • class： 類別
  • filter： 過濾器

整體結構如下。

圖片來自CSDN文章[1]，依據CC BY-SA授權

每個網路設備只會有一個根(root)的隊列規則(qdisc)，而qdisc又分為無類規則(Classless Qdisc)和有纇規則(Classful Qdisc)。

  • Classless Qdisc很簡單，他底下不會有手動創建的類別，流量怎麼排隊全看規則內部的設定，在systemd 217後，預設的規則是fq_codel，就是一種無類規則。

  • Classful Qdisc則是比較複雜，你可以在root qdisc底下創建各種不同的纇(class)，每個class可能對流量有不同的速度限制，而在class底下還可以放不同的class，或是在class底下再放一個qdisc，如果是Classful Qdisc，就可以在底下創建更多的class，因此Classful Qdisc可以達成較複雜、較精細化的流量控制。

而filter則是負責決定要將哪個封包丟到哪個class，如果class底下還有class，那就要被第二個filter決定要丟到更底下的哪個class，直到最後到達最底下的class，就會接受這個class底下的qdisc進行排隊(如果沒有給class設定最後的qdisc，會因為不同種類的parent qdisc會有不同的最終qdisc)

qdisc

常見的隊列規則如下，更詳細的介紹可以參考ArchWiki[2]，還有很多種隊列規則，各有不同的特性，有興趣可以自己去翻man page。

  • Classless Qdisc
    • fq： 公平隊列
    • fq_codel： 結合公平隊列和延遲控制
    • fq_pie： 結合公平隊列和pie
    • codel： 延遲控制
    • pie： Proportional Integral controller-Enhanced
    • cake： Common Applications Kept Enhanced
    • red： 隨機早期探測
    • sfq： 隨機公平隊列
    • pfifo： 先進先出
    • pfifo_fast： 先進先出，但有分三個通道，直到高優先級的通道沒有封包，才會輪到低優先級的通道
    • tbf： 令牌桶過濾，限速的好選擇[3]
  • Classful Qdisc
    • htb： 分層令牌桶，基本上要分區流量控制都是用這個
    • cbq： Class Based Queueing
    • prio： 優先級分類，不進行限速

filter

filter也有很多種規則，有興趣可以自己去翻man page。

基本上會用到的只有兩種過濾器，u32和fw。

u32會使用IP封包標頭的內容來過濾，簡單來說就是可以按照來源/目標位置、來源/目標端口來決定要分到哪個class。

fw就更好理解了，按照fwmark來決定要分到哪個class，舊型iptables就是這樣與tc配合進行流量限速

不過如果有使用nftables的話，就可以直接跳過filter了，nftables可以直接匹配後將封包直接塞到某個class裡，不需要進行mark再由tc分配，配合nftables的結構可以達成更好的效能和匹配。

handle/classid

handle/classid就是圖上顯示的x:y的數字，x和y都是可以允許最高16位的16進制數字。

每個qdisc都會有一個handle也就是x:0，也可簡寫為x:，而在這個qdisc底下的class就會有對應的classid x:y，這會是識別不同class的參數。

分配規則

以HTB為例，結構如下

  • root qdisc HTB 1:0
    • class 1:1 rate 2Mbit ceil 3Mbit prio 0
    • class 1:2 rate 2Mbit ceil 8Mbit prio 1
    • class 1:3 rate 1Mbit ceil 8Mbit prio 1

rate代表保證帶寬，ceil則是最高帶寬，prio代表優先級，0最高7最低，這個設備上傳總帶寬為10Mbit

當今天只有class 1:1在使用時，他可以使用最高3Mbit的帶寬，同理，只有class 1:2或1:3使用時，他們都可以使用8Mbit的帶寬，這些都小於總帶寬10Mbit。

但如果今天發生了爭搶，例如三個class都想要使用，那麼就會優先按照保證帶寬分配，所以每個class都會分到rate設定的值，現在剩餘帶寬還剩10-2-2-1=5Mbit，優先滿足高優先級，因此class 1:1可以使用3Mbit，此時還剩4Mbit的帶寬，由於class 1:2和1:3有相同優先級，因此會按照rate的比例來分配，class 1:2分到2+2.6Mbit，class 1:3分到1+1.4Mbit。

如果爭搶時連rate都無法滿足，就是優先滿足高優先級，相同優先級按照rate比例分配。

設定

我設定流量控制的目標是區分出少數需求帶寬少但高優先級的流量，以及設定對子網內每個IP的限速。

因此結構如下

  • dev wan
    • root qdisc HTB rate 10Mbit 1:0 default 0x100
      • class 1:1 htb rate 10Mbit
        • class 1:10 rate 2Mbit
        • class 1:20 rate 2Mbit ceil 9Mbit prio 3
        • class 1:90 rate 2Mbit ceil 9Mbit prio 6
          • other IP class
        • class 1:100 rate 2Mbit ceil 8Mbit prio 7

rate代表保證帶寬，ceil則是最高帶寬，prio代表優先級，0最高7最低。

class 1:10和1:20就是高優先級的class，未來可以再細分。

class 1:90就是用來對每個IP進行限速的class，每個IP都會被創立一個在1:90底下的class進行限速。

class 1:100就是沒有match到任何一個class的流量最後會到的地方，root qdisc指定的default 0x100。

腳本

因為tc的規則在重新啟動後會歸零，所以要使用腳本讓他在開機的時候可以重新生效。

初始設定

隨便找個地方放初始設定的腳本，像是/opt/traffic-control/tc-setting.sh，假設對外的網路設備是wan，上傳帶寬最大是10Mbit，如果環境不同，要自己修改適合自己的數值。

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#!/bin/bash

# clear qdisc
/sbin/tc qdisc delete dev wan root

/sbin/tc qdisc add dev wan root handle 1:0 htb default 100
/sbin/tc class replace dev wan parent 1: classid 1:1 htb rate 10mbit
tc_class='/sbin/tc class replace dev wan parent 1:1 classid'
$tc_class 1:10 htb rate 2mbit ceil 2mbit
$tc_class 1:20 htb rate 2mbit ceil 9mbit prio 3
$tc_class 1:90 htb rate 8mbit ceil 9mbit prio 6
$tc_class 1:100 htb rate 2mbit ceil 8mbit prio 7

腳本功能就是設定剛剛說的結構，腳本內只有設定qdisc和class，因為filter的部分會直接在nft做

將腳本加上執行權限chmod +x /opt/traffic-control/tc-setting.sh

編輯/etc/systemd/system/tc.service建立自動啟動服務，並啟用systemdctl daemon-reload ; systemdctl enable --now tc.service

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[Unit]
Description=traffic control
After=nftables.service
After=network.target

[Service]
Type=oneshot
RemainAfterExit=yes
ExecStart=/opt/traffic-control/tc-setting.sh

[Install]
WantedBy=multi-user.target

接著要調整nftables的設定，編輯/etc/nftables.conf(不要問我為什麼是在filter做流量的分類，nftables的wiki也這樣做)

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table inet filter {
        map tc_classid {
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                counter
                flags interval
        }
        chain FORWARD {
                type filter hook forward priority filter; policy accept;
                meta priority none meta mark 0 meta priority set ip saddr map @tc_classid counter
        }
}

在forward鏈的這個規則，會匹配沒有被分類和沒有被打上fwmark的流量並幫他們打上分類，按照tc_classid裡的鍵值映射來幫對應的來源IP分類

這樣基礎的設定就完成了，不過分IP限速還沒生效，因為map tc_classid裡面沒有任何東西，所有的流量都會被歸類到1:100，按照他的規則限速，所以接下來要用自動執行的腳本自動新增IP和對應的class

自動限制

編輯/opt/traffic-control/arp-limit.sh，並加上執行權限chmod +x /opt/traffic-control/arp-limit.sh

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#!/bin/bash

grep lan /proc/net/arp | grep 0x2 | grep 10.0.0 | awk -F ' ' '{print $1}' | while read ipaddr
do
classid_upload="1:f${ipaddr##*.}"
/sbin/nft add element inet filter tc_classid {$ipaddr\:$classid_upload}
/sbin/tc class replace dev wan parent 1:90 classid $classid_upload htb rate 2mbit ceil 9mbit
/sbin/tc qdisc replace dev wan parent $classid_upload handle f${ipaddr##*.}: fq_codel
done

這個腳本會根據/proc/net/arp的arp記錄獲取lan底下的設備IP，並過濾Flags為0x2的值，這代表對應的IP在線

接著會幫每個IP建立在1:90底下的一個class，並加上限速和qdisc，id為1:fxxx，xxx是IP的最後一位，不會重複，並將IP和classid的對應加到nftables中

把這個腳本加到crontab的定期執行，要用root的，或是具有免密執行sudo tc和nft權限的user裡，/proc/net/arp30秒更新一次，因此每分鐘都執行檢查有沒有新設備

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* * * * * /opt/traffic-control/arp-limit.sh

有了新增規則的部分，也要有定期刪除規則的腳本

編輯/opt/traffic-control/delete-arp-limit.sh，並加上執行權限chmod +x /opt/traffic-control/delete-arp-limit.sh

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#!/bin/bash

grep lan /proc/net/arp | grep 0x0 | grep 10.0.0 | awk -F ' ' '{print $1}' | while read ipaddr
do
classid_upload="1:f${ipaddr##*.}"
/sbin/nft delete element inet filter tc_classid {$ipaddr\:$classid_upload} > /dev/null 2>&1 || continue
/sbin/tc class delete dev wan parent 1:90 classid $classid_upload
/sbin/tc qdisc delete dev wan parent $classid_upload handle f${ipaddr##*.}:
done

這個腳本會檢查有沒有Flags為0x0的記錄，代表設備下線，就將nftables、tc對應的記錄刪掉

這個腳本不需要執行的很頻繁，定期檢查即可

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0 * * * * /opt/traffic-control/delete-arp-limit.sh

這樣就完成限速的設定了

參考

  1. Linux TC 流量控制与排队规则 qdisc 树型结构详解（以HTB和RED为例）-CSDN博客 ↩
  2. Advanced traffic control - ArchWiki ↩
  3. Bandwidth Management 頻寬管理 - Jan Ho 的網絡世界 ↩
  4. Classification to tc structure example - nftables wiki ↩
  5. QoS in Linux with TC and Filters ↩
  6. 学习nftables和tc ↩
教程
#network #server #router #linux
使用nftables和tc在linux上實現QoS
https://www.zenwen.eu.org/linux-qos-with-tc-and-nft/
作者
Zen Wen
發布於
2024年9月8日
許可協議