使用 TC 和 Netem 模拟网络异常

iMike 运维之美 2018-09-10

在某些情况下,我们需要模拟网络很差的状态来测试软件能够正常工作,比如网络延迟、丢包、乱序、重复等。Linux 系统下强大的流量控制工具 TC 能很轻松地完成这个需求,TC 命令行工具是 IProute2 软件包中的软件,可以根据系统版本自行安装。

这篇文章介绍的功能主要是通过 Netem 这个内核模块来实现的。NetemNetwork Emulator 的缩写,关于更多功能以及参数的详细解释可以参阅 TC-Netem 的 Man Page。

Netem 与 TC 简要说明

Netem 是 Linux 2.6 及以上内核版本提供的一个网络模拟功能模块。该功能模块可以用来在性能良好的局域网中,模拟出复杂的互联网传输性能。例如:低带宽、传输延迟、丢包等等情况。使用 Linux 2.6 (或以上) 版本内核的很多 Linux 发行版都默认开启了该内核模块,比如:Fedora、Ubuntu、Redhat、OpenSuse、CentOS、Debian 等等。

TC 是 Linux 系统中的一个用户态工具,全名为 Traffic Control (流量控制)。TC 可以用来控制 Netem 模块的工作模式,也就是说如果想使用 Netem 需要至少两个条件,一是内核中的 Netem 模块被启用,另一个是要有对应的用户态工具 TC 。

TC 能做的事情很多,除了本文介绍的还有带宽控制、优先级控制等等。这些功能是通过类似 Netem 的内核模块实现的。

网络状况模拟

网络状况欠佳从用户角度来说就是下载东西慢(网页一直加载、视频卡顿、图片加载很久等),从网络报文角度来看却有很多情况:比如:延迟(某个机器发送报文很慢)、丢包(发送的报文在网络中丢失需要一直重传)、乱序(报文顺序错乱,需要大量计算时间来重新排序)、重复(报文有大量重复,导致网络拥堵)、错误(接收到的报文有误只能丢弃重传)等。

对于这些情况,都可以用 Netem 来模拟。需要注意的是,Netem 是直接作用于指定网卡上的,也就是说所有从该网卡发送出去的包都会收到配置参数的影响,所以最好搭建临时的虚拟机进行测试。

在下面的例子中 add 表示为指定网卡添加 Netem 配置,change 表示修改已经存在的 Netem 配置到新的值,replace 表示替换已经存在的 Netem 配置的值。如果要删除网卡上的 Netem 配置可以使用 del

$ tc qdisc del dev enp0s5 root

1. 模拟延迟传输

最简单的例子是所有的报文延迟 100ms 发送:

$ tc qdisc add dev enp0s5 root netem delay 100ms

如果你想在一个局域网里模拟远距离传输的延迟可以用这个方法,比如实际用户访问网站延迟为 101 ms,而你测试环境网络交互只需要 1ms,那么只要添加 100ms 额外延迟就行。

$ tc qdisc replace dev enp0s5 root netem delay 100ms
$ ping dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=1 ttl=64 time=102 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=2 ttl=64 time=100 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=100 ms
^C
--- dev-node-02 ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3000ms
rtt min/avg/max/mdev = 100.293/101.053/102.795/1.061 ms

如果在网络中看到非常稳定的时延,很可能是某个地方加了定时器,因为网络线路很复杂,传输过程一定会有变化。因此实际情况网络延迟一定会有变化的,Netem 也考虑到这一点,提供了额外的参数来控制延迟的时间分布。完整的参数列表为:

DELAY := delay TIME [ JITTER [ CORRELATION ]]]
[ distribution { uniform | normal | pareto |  paretonormal } ]

除了延迟时间 TIME 之外,还有三个可选参数:

  • JITTER:抖动,增加一个随机时间长度,让延迟时间出现在某个范围。

  • CORRELATION:相关,下一个报文延迟时间和上一个报文的相关系数。

  • distribution:分布,延迟的分布模式。可以选择的值有 uniformnormalparetoparetonormal


先说说 JITTER,如果设置为 20ms,那么报文延迟的时间在 100ms  ± 20ms 之间,具体值随机选择:

$ tc qdisc replace dev enp0s5 root netem delay 100ms 20ms
$ ping dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=1 ttl=64 time=108 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=2 ttl=64 time=107 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=92 ms
......

CORRELATION 指相关性,因为网络状况是平滑变化的,短时间里相邻报文的延迟应该是近似的而不是完全随机的。这个值是个百分比,如果为 100%,就退化到固定延迟的情况;如果是 0% 则退化到随机延迟的情况。

$ tc qdisc replace dev enp0s5 root netem delay 100ms 20ms 50%
$ ping dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=1 ttl=64 time=104 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=2 ttl=64 time=109 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=5 ttl=64 time=101 ms
......

报文的分布和很多现实事件一样都满足某种统计规律,比如最常用的正态分布。因此为了更逼近现实情况,可以使用 distribution 参数来限制它的延迟分布模型。比如让报文延迟时间满足正态分布:

$ tc qdisc replace dev enp0s5 root netem delay 100ms 20ms distribution normal
$ ping dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=1 ttl=64 time=82.0 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=2 ttl=64 time=82.3 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=98.1 ms
......

这样的话,大部分的延迟会在平均值的一定范围内,而很少接近出现最大值和最小值的延迟。

其他分布方法包括:uniform、pareto 和 paretonormal,这些分布方法感兴趣的读者可以自行了解。对于大多数情况,随机在某个时间范围里延迟就能满足需求的。

2. 模拟丢包率

另一个常见的网络异常是因为丢包,丢包会导致重传,从而增加网络链路的流量和延迟。Netem 的 loss 参数可以模拟丢包率,比如发送的报文有 50% 的丢包率(为了容易用 ping 看出来,所以这个数字我选的很大,实际情况丢包率可能比这个小很多,比如 0.5%):

$ tc qdisc change dev enp0s5 root netem loss 50%
$ ping dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=1 ttl=64 time=0.290 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=4 ttl=64 time=0.308 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=5 ttl=64 time=0.221 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=8 ttl=64 time=0.371 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=9 ttl=64 time=0.315 ms

可以从 icmp_seq 序号看出来大约有一半的报文丢掉了,和延迟类似丢包率也可以增加一个相关系数,表示后一个报文丢包概率和它前一个报文的相关性。

$ tc qdisc change dev enp0s5 root netem loss 0.3% 25%

这个命令表示,丢包率是 0.3%,并且当前报文丢弃的可能性和前一个报文有 25% 相关。默认的丢包模型为随机,loss 也支持 state(4-state Markov 模型) 和 gemodel(Gilbert-Elliot 丢包模型) 两种模型的丢包,因为两者都相对复杂,这里就不再详细介绍了。

需要注意的是,丢包信息会发送到上层协议。如果是 TCP 协议,那么 TCP 会进行重传,所以对应用来说看不到丢包。这时候要模拟丢包,需要把 loss 配置到网桥或者路由设备上。

3. 模拟包重复

报文重复和丢包的参数类似,就是重复率和相关性两个参数,比如随机产生 50% 重复的包:

$ tc qdisc change dev enp0s5 root netem duplicate 50%
$ ping dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=2 ttl=64 time=0.284 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=0.420 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=0.447 ms (DUP!)
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=4 ttl=64 time=0.437 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=4 ttl=64 time=0.515 ms (DUP!)
......

4. 模拟包损坏

报文损坏和报文重复的参数也类似,比如随机产生 2% 损坏的报文(在报文的随机位置造成一个比特的错误)。

$ tc qdisc change dev enp0s5 root netem corrupt 2%
$ ping dev-node-02
......
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=0.362 ms
Warning: time of day goes back (-4611686018427387574us), taking countermeasures.
Warning: time of day goes back (-4611686018427387454us), taking countermeasures.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=4 ttl=64 time=0.000 ms
wrong data byte #53 should be 0x35 but was 0xb5
#16 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2a 2b 2c 2d 2e 2f
#48 30 31 32 33 34 b5 36 37
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=5 ttl=64 time=0.476 ms
......

5. 模拟包乱序

网络传输并不能保证顺序,传输层 TCP 会对报文进行重组保证顺序,所以报文乱序对应用的影响比上面的几种问题要小。

报文乱序和前面的参数不太一样,因为上面的报文问题都是独立的。针对单个报文做操作就行,而乱序则牵涉到多个报文的重组。模拟报乱序一定会用到延迟(因为模拟乱序的本质就是把一些包延迟发送),Netem 有两种方法可以做。

第一种是固定的每隔一定数量的报文就乱序一次。

# 每 5 个报文(第 5、10、15…报文)会正常发送,其他的报文延迟 100ms。
$ tc qdisc change dev enp0s5 root netem reorder 50% gap 3 delay 100ms
$ ping -i 0.05 dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=9 ttl=64 time=2.55 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=8 ttl=64 time=100 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=10 ttl=64 time=100 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=11 ttl=64 time=100 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=13 ttl=64 time=0.245 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=12 ttl=64 time=102 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=14 ttl=64 time=1.00 ms
......

要想看到 ping 报文的乱序,我们要保证发送报文的间隔小于报文的延迟时间 100ms,这里用 -i 0.05 把发送间隔设置为 50ms

第二种方法的乱序是相对随机的,使用概率来选择乱序的报文。

$ tc qdisc change dev enp0s5 root netem reorder 50% 15% delay 300ms
$ ping -i 0.05 dev-node-02
PING dev-node-02 (192.168.100.212) 56(84) bytes of data.
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=4 ttl=64 time=0.423 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=7 ttl=64 time=0.250 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=2 ttl=64 time=301 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=3 ttl=64 time=301 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=9 ttl=64 time=0.238 ms
64 bytes from dev-node-02 (192.168.100.212): icmp_seq=5 ttl=64 time=301 ms
......

50% 的报文会正常发送,其他报文(1-50%)延迟 300ms 发送,这里选择的延迟很大是为了能够明显看出来乱序的结果。

6. 其它技巧

  • 查看已经配置的网络条件

该命令将查看并显示 enp0s5 网卡的相关传输配置。

$ tc qdisc show dev enp0s5

推荐两个工具

Netem 在 TC 中算是比较简单的模块,如果要实现流量控制或者精细化的过滤需要更复杂的配置。这里推荐两个小工具,它们共同的特点是用法简单,能满足特定的需求,而不用自己去倒腾 TC 的命令。

1. Wondershaper

项目地址:https://github.com/magnific0/wondershaper

Netem 只能模拟网络状况,不能控制带宽,Wondershaper 则能完美解决这个问题。Wondershaper 实际上是一个 SHELL 脚本,它使用 TC 来进行流量速率调整,使用 QoS 来处理特定的网络接口。外发流量通过放在不同优先级的队列中,来达到限制传出流量速率的目的;而传入流量通过丢包的方式来达到速率限制的目的。

安装 Wondershaper
  • 在 Ubuntu / Debian 下安装 Wondershaper

$ sudo apt-get install wondershaper
  • 在 Fdora / CentOS / RHEL 中安装 Wondershaper

# 需启用 EPEL 仓库
$ sudo yum install wondershaper
使用 Wondershaper

Wondershaper 的使用非常简单,只有三个参数:网卡名、下行限速、上行限速。比如要设置网卡下载速度为 200kb/s,上传速度为 150kb/s

$ sudo wondershaper enp0s5 200 150

如果你要将速率限制消除,可以通过运行下面的命令来达到目的。

$ sudo wondershaper clear enp0s5

2. Comcast

项目地址:https://github.com/tylertreat/comcast

Comcast 是一个跨平台的网络模拟工具,旨在其他平台(OSX、Windows、BSD)也能提供类似网络模拟的功能。

它的使用也相对简单:

$ comcast --device=enp0s5 --latency=250 \
--target-bw=1000 \
--default-bw=1000000 \
--packet-loss=10% \
--target-addr=8.8.8.8,10.0.0.0/24 \
--target-proto=tcp,udp,icmp \
--target-port=80,22,1000:2000
  • --device 说明要控制的网卡为 enp0s5

  • --latency 指定 250ms 的延迟。

  • --target-bw指定目标带宽。

  • --default-bw 指定默认带宽。

  • --packet-loss 指定丢包率。

  • --target-addr--target-proto--target-port 参数指定在满足这些条件的报文上实施上面的配置。

总结

可以看出,TC 的 Netem 模块主要用来模拟各种网络的异常状况,本身并没有提供宽带限制的功能,而且一旦在网卡上配置了 Netem,该网卡上所有的报文都会受影响,如果想精细地控制部分报文,需要用到 TC 的 filter 功能。

参考资料

http://www.google.com
http://t.cn/RsUAV3y
http://t.cn/RsUwmQX
http://t.cn/RsUVqk0

本文在 「使用 tc netem 模拟网络异常」的基础上整理和修改,原文地址:http://t.cn/RsUwmQX。


今日思想


国正天心顺,官清民自安。妻贤夫过少,子孝父心宽。  


——名贤集




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