基于TC和netem实现网络异常情况的模拟

原创

皮皮熊

修改于 2022-08-31 09:41:19

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基于TC和netem实现网络异常情况的模拟

背景

笔者最近在对一个公网传输方案做测试时，需要模拟一些公网中遇到的极端情况（延迟、丢包、重复、损坏和乱序等）。惊喜地发现，Linux原生已经集成了TC和netem这对组合，只需要几个命令即可快速地实现上述功能。

TC简介

Linux内核内置了一个TC（Traffic Control）框架，可以实现流量限速，流量整形，策略应用(丢弃，NAT等)。原理大致如下图所示，主要是通过在输出端口处建立一个队列来实现流量控制：

TC可以实现的功能是非常丰富的，但本身也是比较复杂，感兴趣的同学可以看下赵亚大神的相关文章。

所以在网络异常模拟场景下，我们更偏向于直接使用TC控制netem来便捷地实现相关功能。

netem简介

netem是linux内核提供的Network emulation服务，可以用来模拟广域网下的延迟、丢包、重复、损坏和乱序等问题。

2.6版本后的linux发行版都已经在内核中启用了netem，netem内核组件在以下情况下启用：

 Networking -->
   Networking Options -->
     QoS and/or fair queuing -->
        Network emulator

重要：netem 是直接添加到网卡上的，也就是说所有从网卡发送出去的包都会收到配置参数的影响！

假如需要回退到正常情况，请谨记下面这个命令：

# 删除 eth0网卡之前添加的netem配置
tc qdisc del dev eth0 root

netem延迟设置

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

TIME：延迟的时间
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 uniform、normal、pareto 和 paretonormal

# eth0 网卡延迟增加100ms 
tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100ms

# 报文延迟的时间在 100ms ± 20ms 之间（90ms - 110ms）
tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100ms 20ms

# 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 change dev eth0 root netem delay 100ms 20ms 50%

# 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 change dev eth0 root netem delay 100ms 20ms distribution normal

netem模拟丢包设置

# 发送的报文有 50% 的丢包率
tc qdisc change dev eth0 root netem loss 50%

# 发送的报文有 0.3% ~ 25% 的丢包率
tc qdisc change dev eth0 root netem loss 0.3% 25%

丢包也支持 state（4-state Markov 模型）和 gemodel（Gilbert-Elliot 丢包模型）两种模型的丢包配置。不过相对比较复杂，这里我们就不再详细描述。

netem模拟报文重复\损坏设置

# 随机产生 50% 重复的包
# tc qdisc change dev eth0 root netem loss 50%  # 原错误命令
tc qdisc change dev eth0 root netem duplicate 50%

# 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 eth0 root netem corrupt 2%

netem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。

# 固定的每隔一定数量的报文就乱序一次
tc qdisc change dev eth0 root netem reorder 50% gap 3 delay 100ms
# 使用概率来选择乱序的报文
tc qdisc change dev eth0 root netem reorder 50% 15% delay 300ms