Linux 2.4.x 网络协议栈QoS模块(TC)的设计与实现

祝顺民

2003 年 6 月 15 日

本文描述了Linux 2.4.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进行了具体的分析。

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要害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Traffic Control ,简称TC。

注：上图的分层是按照Linux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,然后判定是否需要向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，治理，检测拥塞和处理拥塞。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：

int dev_queue_xmit(strUCt sk_buff *skb)
{
……………….
    q = dev->qdisc;
    if (q->enqueue) {
	   /*假如这个设备启动了TC,那么把数据包压入队列*/
        int ret = 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*/
                    return 0;
                }
            }
………………
}

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。假如为真，则对这个数据包进行QoS处理。