弱网环境搭建之 Linux tc & iptables 详解
弱网环境搭建之 Linux tc 详解
0. 背景
笔者有一个需要搭建弱网环境来复现某个网络问题的需求，因此开始在网络中寻找能够快速搭建弱网环境的方式。
不同应用对于弱网环境的定义是不同的，需要根据具体的应用场景进行划分。但一般意义而言，对于弱网环境的测试主要集中于对带宽、丢包、延时等方面的模拟，来还原当用户网络环境较差时的情况。
弱网环境搭建可以分为客户端和服务端，客户端模拟弱网环境主要是通过控制移动设备的上下行流量来实现，比如腾讯的 QNET；客户端一般也可以是 Windows 客户端，常见的搭建工具有 Network Emulator；而在服务端(这里指Linux服务器)，常用的有 Facebook 的 ATC。
1. 工具选择
通过调研，市面上其实已经有许多现成的易于使用的工具，但是由于灵活性及可靠性的要求，使用现有工具不利于排查问题，因此最终还是选择了 tc 及 iptables 辅助的方式来进行搭建。
这里没有选择 ATC 的原因主要还是因为 ATC 非 Linux 自带的工具，可能会存在版本等问题，但如果为了快速搭建弱网环境还是建议选择 ATC。
2. 搭建流程
2.1 Linux tc 简介
因为选择了 tc 作为搭建工具，这里简单的介绍一下 Linux tc ：
Linux操作系统中的流量控制器TC（Traffic Control）用于Linux内核的流量控制，主要是通过在输出端口处建立一个队列来实现流量控制。接收包从输入接口进来后，经过流量限制丢弃不符合规定的数据包，由输入多路分配器进行判断选择。 一般只能限制网卡发送的数据包，不能限制网卡接收的数据包，所以可以通过改变发送次序来控制传输速率。Linux流量控制主要是在输出接口排列时进行处理和实现的。
简单来说，tc 就是一个流量控制器，可以实现限速、流量整形等功能，主要原理是通过设置不同类型的队列，来控制数据包发送的速率和优先级，达到流量控制的效果。
在 tc 中，对流量的处理由三种对象控制，qdisc（排队规则），class（类），filter（分类器）
- qdisc : qdisc 是 queueing discipline 的缩写。qdisc 的含义是，当内核需要通过配置了 qdisc 的网卡发送数据包时，必须根据 qdisc 的规则将数据包放入队列中，然后内核从队列中取出数据包发送。qdisc 可以分为可分类与不可分类两种，不可分类的有pfifo(最简单的先进先出策略)、red(随机丢弃部分数据包)、tbf(内部采用令牌桶, 主要用于限速)等；可分类的包括HTB(主要用于带宽控制)、PRIO(用于优先级管理)。更详细的解释可参考这篇文章
- class ：对于不同的数据流可能需要不同的控制策略，因此部分 qdisc 可以包含一些类别，不同的类别中还可以包含下一层 qdisc 从而形成一棵策略树。
- filter : filter 本该翻译为过滤器，但由于它与 class(类) 的关系，将它译为了分类器。顾名思义，filter用于为数据包分类，决定它们按照哪种 qdisc 进入队列。需要注意的是，filter 位于 qdisc内部，它们不能作为主体。
综上，qdisc 可以添加类，类(Class)组成一个树，由它们为数据包排队。此外，每个类都有一个叶子 qdisc，默认情况下，这个叶子 qdisc 使用pfifo的方式排队，也可以使用其它类型的 qdisc 代替。一般有有三种方式——tc filter、ToS、skb 为数据包归类，常见的一般是 tc filter。
2.2 弱网搭建思路
弱网搭建主要是使用 tc 的基本功能来还原弱网的情况，以下将讲解几个常用的命令：
首先是带宽限制功能，一般来说可以用 htb 或者 tbf 来实现，但因为 tbf 是无类别的，无法添加子类规则，所以选择了 htb 进行限速。
首先为网卡添加一个 htb 队列，下述命令指定了该队列的类别，使用”major:minor”这样的形式来标识一个队列，其中major和minor都是数字。default xx 是 htb 特有的参数，是为了指定在默认情况下，数据包会被分给哪一个子类。
tc qdisc add dev ${adapter} root handle 10: htb default ${handle_id} r2q 100然后为该父队列添加一个子类，子类的 major 必须与父类的 major 相同，并且指定 rate limit，可以用 Mbit、Kbit 等作为单位。
tc class add dev ${adapter} parent 10: classid 10:1 htb rate 1000mbit ceil 1000mbit在进行限速之后，可以通过如下命令设置数据包的发送延迟，delay_time 是发送延迟，而后面紧跟的 10ms 代表实际发送中会有 10ms 的波动，从而模拟更真实的情况。
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 101: netem delay ${delay_time}ms 10ms distribution normal也可以通过如下命令增加丢包频率、包损坏、乱序等规则，模拟出需要的弱网情况。
# 设置丢包频率
tc qdisc add dev ${adapter} parent 101: handle 102: netem loss ${loss}%
# 设置包重复
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 103: netem duplicate ${duplicate}%
# 设置包损坏
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 104: netem corrupt ${corrupt}%
# 设置数据包乱序
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 105: netem reorder ${reorder}% 50%使用 iptables 模拟一些极端网络情况，
2.3 完整代码展示
完整的代码如下所示，tc 的命令并不是特别复杂，需要注意的父类子类之间的关系，以及如何设置 qdisc 和 class
#!/bin/bash
# 网卡
adapter="eth0"
handle_id=20
# 初始化参数
rate_limit=500
delay_time=30
loss=1
duplicate=0
corrupt=0
reorder=0
default_ip="0.0.0.0"
is_ip_filter=0
default_port=443
is_port_filter=0
# 删除之前规则 (root)
tc qdisc del dev ${adapter} root
### 设置tc规则 (2. 指定端口 4. iptables规则)
tc qdisc add dev ${adapter} root handle 10: htb default ${handle_id} r2q 100
# 设置限速(非严格限速)
tc class add dev ${adapter} parent 10: classid 10:1 htb rate 1000mbit ceil 1000mbit
tc class add dev ${adapter} parent 10:1 classid 10:10 htb rate 1000mbit ceil 1000mbit
tc class add dev ${adapter} parent 10:1 classid 10:20 htb rate ${rate_limit}Kbit ceil ${rate_limit}Kbit
# 设置过滤器(ip & 端口过滤)
if [ ${handle_id} -eq 10 ];then
if [ ${is_ip_filter} -eq 1 ];then
tc filter add dev ${adapter} protocol ip parent 10:0 prio 1 u32 match ip dst ${default_ip} flowid 10:20
fi
if [ ${is_port_filter} -eq 1 ];then
tc filter add dev ${adapter} protocol ip parent 10:0 prio 1 u32 match ip sport ${default_port} 0xffff flowid 10:20
fi
fi
# 设置延迟
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 101: netem delay ${delay_time}ms 10ms distribution normal
# 设置丢包频率
tc qdisc add dev ${adapter} parent 101: handle 102: netem loss ${loss}%
# 设置包重复
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 103: netem duplicate ${duplicate}%
# 设置包损坏
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 104: netem corrupt ${corrupt}%
# 设置数据包乱序
tc qdisc add dev ${adapter} parent 10:20 handle 105: netem reorder ${reorder}% 50%
#iptables -A OUTPUT -p tcp --sport 8080 -j DROP腾讯云开发者
