Linux内核对QoS的支持

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1、本文描述了linux2.4.x内核中对QoS支持的设计与实现，并且对缺省的数据包调度机制PFIFO进行了详细的分析。在传统的TCP/IP网络的路由器中，所有的IP数据包的传输都是采用FIFO（先进先出），尽最大努力传输的处理机制。在早期网络数据量和关键业务数据不多的时候，并没有体现出非常大的缺点，路由器简单的把数据报丢弃来处理拥塞。但是随着计算机网络的发展，数据量的急剧增长，以及多媒体，VOIP数据等对延时要求高的应用的增加。路由器简单丢弃数据包的处理方法已经不再适合当前的网络。单纯的增加网络带宽也

2、不能从根本上解决问题。所以网络的开发者们提出了服务质量的概念。概括的说：就是针对各种不同需求，提供不同服务质量的网络服务功能。提供QoS能力将是对未来IP网络的基本要求。1．Linux内核对QoS的支持Linux内核网络协议栈从2.2.x开始，就实现了对服务质量的支持模块。具体的代码位于net/sched/目录。在Linux里面，对这个功能模块的称呼是TrafficControl,简称TC。首先我们了解一下Linux网络协议栈在没有TC模块时发送数据包的大致流程。如图1。注：上图的分层是按照Linu

3、x实现来画，并没有严格遵守OSI分层从上图可以看出，没有TC的情况下，每个数据包的发送都会调用dev_queue_xmit,然后判断是否需要向AF_PACKET协议支持体传递数据包内容，最后直接调用网卡驱动注册的发送函数把数据包发送出去。发送数据包的机制就是本文开始讲到的FIFO机制。一旦出现拥塞，协议栈只是尽自己最大的努力去调用网卡发送函数。所以这种传统的处理方法存在着很大的弊端。为了支持QoS，Linux的设计者在发送数据包的代码中加入了TC模块。从而可以对数据包进行分类，管理，检测拥塞和处理拥

4、塞。为了避免和以前的代码冲突，并且让用户可以选择是否使用TC。内核开发者在上图中的两个红色圆圈之间添加了TC模块。（实际上在TC模块中，发送数据包也实现对AF_PACKET协议的支持，本文为了描述方便，把两个地方的AF_PACKET协议处理分开来了）。下面从具体的代码中分析一下对TC模块的支持。net/core/dev.c:dev_queue_xmit函数中略了部分代码：intdev_queue_xmit(structsk_buff*skb){……………….q=dev->qdisc;if(q->en

5、queue){/*如果这个设备启动了TC,那么把数据包压入队列*/intret=q->enqueue(skb,q);/*启动这个设备发送*/qdisc_run(dev);return;}if(dev->flags&IFF_UP){………….if(netdev_nit)dev_queue_xmit_nit(skb,dev);/*对AF_PACKET协议的支持*/if(dev->hard_start_xmit(skb,dev)==0){/*调用网卡驱动发送函数发送数据包*/return0;}}……………

6、…}从上面的代码中可以看出，当q->enqueue为假的时候，就不采用TC处理，而是直接发送这个数据包。如果为真，则对这个数据包进行QoS处理。2．TC的具体设计与实现第一节描述了linux内核是如何对QoS进行支持的，以及是如何在以前的代码基础上添加了tc模块。本节将对TC的设计和实现进行详细的描述。QoS有很多的拥塞处理机制，如FIFOQueueing（先入先出队列），PQ（优先队列），CQ（定制队列），WFQ（加权公平队列）等等。QoS还要求能够对每个接口分别采用不同的拥塞处理。为了能够实现上

7、述功能，Linux采用了基于对象的实现方法。上图是一个数据发送队列管理机制的模型图。其中的QoS策略可以是各种不同的拥塞处理机制。我们可以把这一种策略看成是一个类，策略类。在实现中，这个类有很多的实例对象，策略对象。使用者可以分别采用不同的对象来管理数据包。策略类有很多的方法。如入队列（enqueue），出队列（dequeue），重新入队列(requeue)，初始化(init)，撤销(destroy)等方法。在Linux中，用Qdisc_ops结构体来代表上面描述的策略类。前面提到，每个设备可以采用

8、不同的策略对象。所以在设备和对象之间需要有一个桥梁，使设备和设备采用的对象相关。在Linux中，起到桥梁作用的是Qdisc结构体。通过上面的描述，整个TC的架构也就出来了。如下图：加上TC之后，发送数据包的流程应该是这样的：（1）上层协议开始发送数据包（2）获得当前设备所采用的策略对象（3）调用此对象的enqueue方法把数据包压入队列（4）调用此对象的dequeue方法从队列中取出数据包（5）调用网卡驱动的发送函数发送接下来从代码上来分析TC是如何对每个设备安装策略