📚 课程目录第4章无类qdisc实战

4. 无类qdisc实战

无类qdisc（classless qdisc）是Linux TC中最容易上手的一类队列规则：它们不提供class子节点，不能通过tc class add继续细分，而是直接挂在某个网络接口的根位置（root）或作为某个类的叶子qdisc使用。正因为结构简单，无类qdisc非常适合用来做“单点行为控制”——要么控制发送顺序，要么控制发送速率，要么控制发送时机。本节围绕五个最常用的无类qdisc展开：pfifo_fast、fq_codel、sfq、tbf、netem，重点讲清楚它们各自“对包做了什么”，以及如何用命令观察这些行为。

一、先建立观察基线：默认qdisc与统计字段

在动手之前，先确认接口当前的qdisc。以eth0为例：

tc qdisc show dev eth0
# 典型输出：
# 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

大多数物理网卡的默认根qdisc就是pfifo_fast。它内部有3个band（0、1、2），band 0优先级最高，band 2最低。内核根据skb的priority字段（0～15）查priomap决定入哪个band。默认priomap把priority 6、7映射到band 0，priority 4、5映射到band 1，其余映射到band 2。发送时严格按band 0→1→2的顺序取包，同一band内是FIFO。这意味着：只要band 0有包，band 1和band 2就会被“饿死”。

观察统计用tc -s qdisc show dev eth0，关键字段包括sent（已发送包数/字节）、dropped（丢弃）、overlimits（超限次数）、backlog（当前排队包数/字节）。后续所有qdisc的行为判断，都围绕这几个字段展开。

二、fq_codel：用“流公平+主动队列管理”压低缓冲膨胀

fq_codel（Fair Queueing with Controlled Delay）把进入的包按五元组哈希成多个流队列，每个流独立排队，再以轮询方式公平出队；同时每个流内部运行CoDel算法，当包在队列中的停留时间（sojourn time）持续超过目标值（默认5ms）时，主动丢弃或标记包，从而避免bufferbloat。

tc qdisc replace dev eth0 root fq_codel limit 10240 flows 1024 \
    target 5ms interval 100ms quantum 1514 ecn

tc -s qdisc show dev eth0
# qdisc fq_codel 0: root refcnt 2 limit 10240p flows 1024 quantum 1514
#   target 5ms interval 100ms ecn
#  Sent 1234567 bytes 8901 pkt (dropped 12, overlimits 0 requeues 0)
#  backlog 0b 0p requeues 0
#   maxpacket 1514 drop_overlimit 0 new_flow_count 320 ecn_mark 0
#   new_flows_len 0 old_flows_len 0

观察要点：new_flow_count反映新建流数量，old_flows_len反映当前活跃的“老流”队列数，ecn_mark在启用ecn时统计被标记的包。适用场景：家庭网关、Wi-Fi AP、上行带宽受限的服务器——凡是“多流并发且怕延迟抖动”的地方，fq_codel通常是首选。

三、sfq：随机公平队列，抑制单流霸占

sfq（Stochastic Fairness Queueing）同样按哈希分流，但它的哈希会周期性扰动（perturb），避免固定哈希被恶意流碰撞利用。它不主动丢包，只在队列满时丢弃新到包。

tc qdisc replace dev eth0 root sfq perturb 10 quantum 1514 \
    limit 127 divisor 1024

tc -s qdisc show dev eth0
# qdisc sfq 8001: root refcnt 2 limit 127p quantum 1514b
#   depth 127 divisor 1024 perturb 10sec
#  Sent 987654 bytes 7000 pkt (dropped 0, overlimits 0 requeues 0)
#  backlog 0b 0p requeues 0

与fq_codel相比，sfq没有延迟控制机制，它解决的是“公平性”而非“延迟”。适用场景：多用户共享出口、P2P流量与交互流量混跑、需要防止某条TCP流独占带宽的场合。如果同时关心延迟，应优先选fq_codel。

四、tbf：令牌桶限速，把“平均速率”钉死

tbf（Token Bucket Filter）是经典的整形器。它维护一个令牌桶，令牌以rate速率生成，桶容量为buffer（或burst）。只有拿到令牌的包才能发送，否则排队等待；队列满则丢弃。

tc qdisc replace dev eth0 root tbf rate 10mbit burst 32kbit \
    latency 400ms

tc -s qdisc show dev eth0
# qdisc tbf 8002: root refcnt 2 rate 10Mbit burst 4Kb/8 mpu 0b
#   lat 400.0ms linklayer ethernet
#  Sent 5000000 bytes 4000 pkt (dropped 25, overlimits 1200 requeues 0)
#  backlog 0b 0p requeues 0

关键参数关系：burst至少应能容纳一个最大包（如1514字节≈12kbit），否则小包也会被误丢；latency决定最大排队时延，它和rate共同约束了队列深度。观察overlimits：它表示因令牌不足而进入等待的次数，是限速正在生效的直接证据。适用场景：给某台主机或某个接口做硬性带宽上限，例如把测试机出口限制在10Mbit。

五、netem：人为制造延迟、抖动、丢包与乱序

netem（Network Emulator）不用于“优化”，而用于“模拟恶劣网络”。它可以在发送路径上注入延迟、抖动、丢包、重复、乱序和损坏。

tc qdisc replace dev eth0 root netem delay 100ms 20ms \
    distribution normal loss 2% duplicate 1% reorder 25% 50%

tc -s qdisc show dev eth0
# qdisc netem 8003: root refcnt 2 limit 1000
#   delay 100.0ms 20.0ms distribution normal loss 2% 1%
#   duplicate 1% reorder 25% 50% gap 2
#  Sent 300000 bytes 200 pkt (dropped 4, overlimits 0 requeues 0)
#  backlog 0b 0p requeues 0

参数含义：delay 100ms 20ms表示基础延迟100ms、抖动±20ms；loss 2%表示随机丢包2%；reorder 25% 50%表示25%的包有50%概率被乱序发送。观察dropped可确认丢包是否生效。适用场景：弱网测试、音视频抗抖动验证、TCP拥塞控制算法对比实验。

六、组合使用与验证方法

无类qdisc可以嵌套：例如先挂tbf做限速，再在其下挂netem做延迟模拟，形成“限速+弱网”的复合场景。命令如下：

tc qdisc add dev eth0 root handle 1: tbf rate 5mbit burst 16kbit latency 200ms
tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10: netem delay 50ms loss 1%

tc -s qdisc show dev eth0

验证时建议用ping观察RTT变化、用iperf3观察吞吐是否被限制到目标速率、用tc -s观察dropped和overlimits是否随流量增长。判断标准很直接：如果iperf3稳定在5Mbit附近且overlimits持续增长，说明tbf限速生效；如果ping的RTT从0.2ms跳到50ms左右且抖动明显，说明netem延迟生效。

清理qdisc用tc qdisc del dev eth0 root即可恢复默认。实验时建议在独立网络命名空间（ip netns）或虚拟接口（veth）中进行，避免影响生产流量。

七、常见误区与排障要点

把tbf的burst设得过小：小于一个MTU时，大包永远拿不到足够令牌，表现为“限速远低于rate”。建议burst至少为rate/100与MTU的较大者。
在ingress方向直接挂这些qdisc：无类qdisc默认作用于egress。若要控入向，需要配合ingress qdisc + ifb重定向。
fq_codel的target设得过大：例如设成100ms，CoDel几乎不触发，延迟控制失效。默认5ms对多数场景已足够。
netem与tbf顺序颠倒：先netem后tbf会导致延迟被整形队列放大，建议先tbf后netem，让延迟作用在已整形的流上。

掌握这五个无类qdisc后，你已经能覆盖“优先级、公平、限速、弱网”四类最常见的单点QoS需求。下一阶段再引入有类qdisc（HTB、CBQ）时，就可以把它们作为叶子挂到类下面，形成更精细的分层控制体系。