Mininet. Token Bucket Filter

Управление пропускной способностью с помощью дисциплина очередей Token Bucket Filter (TBF).

1 Общая информация

1.1 Цели

• Освоить использование дисциплины очередей Token Bucket Filter (TBF).

1.2 Задачи

• Получить понятие об алгоритме Token Bucket.
• Использовать Token Bucket Filter (tbf) в Linux.
• Понять, как комбинировать дисциплины очередей в Linux Traffic Control (tc).
• Объединить tbf и NETEM.
• Эмулируйте свойства WAN в Mininet.

1.3 Видео: Token Bucket Filter. Введение

2 Теоретические сведения

2.1 Введение в алгоритм Token Bucket

• При моделировании глобальной сети (WAN) иногда необходимо ограничить пропускную способность устройств (конечных хостов и сетевых устройств), чтобы наблюдать за поведением сети в различных условиях.
• Token Bucket — это алгоритм, используемый в сетях с коммутацией пакетов для ограничения пропускной способности и пиковой нагрузки трафика.
• Сущность Token Bucket состоит в добавлении токенов (представленных в виде пакетов или байтов) с фиксированной скоростью в буфер (ведро) с фиксированной ёмкостью.
• Когда приходит новый пакет длиной \(n\) байт, буфер (ведро) проверяется на количество доступных токенов; если доступно хотя бы \(n\) токенов, \(n\) токенов удаляются из ведра, и пакет отправляется в сеть.
• В противном случае токены не удаляются, и пакет считается несоответствующим. В таком случае пакет может быть отброшен, поставлен в очередь или передан, но помечен как несоответствующий.
• Параметры алгоритма:
  • rate есть скорость передачи; она определяется частотой, с которой токены добавляются в корзину.
  • Burstiness (всплеск): когда ведро полностью занято (т. е. никакие пакеты не потребляют токены), новые пакеты будут потреблять токены сразу, без ограничений. Всплеск определяется как количество токенов, которые могут поместиться в ведро (или размер ведра).
  • Иногда создаётся ещё одно маленькое ведро, с размером, равным максимально передаваемому элементу (Maximum Transmission Unit — MTU). Скорость обработки этого буфера намного превышает исходную (peak rate — пиковая скорость).

2.2 Основной синтаксис tbf

• Основной синтаксис tbf, используемый с tc, следующий:

  tc qdisc [add | ...] dev [dev_id] root tbf limit [BYTES] burst [BYTES] rate [BPS] [mtu BYTES] [ peakrate BPS ] [ latency TIME ]
  

• Здесь:
  • tc : инструмент управления трафиком Linux;
  • qdisc : дисциплина очереди (qdisc) представляет собой набор правил, определяющих порядок, в котором обслуживаются пакеты, поступающие с выходных данных IP-протокола. Дисциплина очереди применяется к очереди пакетов, чтобы решить, когда отправлять каждый пакет;
  • [add | del | replace | change | show] : операция над qdisc;
  • dev [dev_id]: задаёт интерфейс;
  • tbf : указывает, что используется алгоритм Token Bucket Filter;
  • limit [BYTES] : размер очереди пакетов в байтах;
  • burst [BYTES] : количество байтов, которое может поместиться в корзину;
  • rate [BPS]: скорость передачи, определяемая частотой, с которой токены добавляются в корзину;
  • mtu [BYTES] : максимальная единица передачи в байтах;
  • peakrate [BPS] (пиковая скорость [бит/с]): максимальная скорость пакета;
  • latency [TIME] : максимальное время ожидания пакета в очереди.

3 Подготовка стенда

3.1 Лабораторная топология

• В топологии используется сеть 10.0.0.0/8, назначенная Mininet по умолчанию.

• Топология представляет собой коммутатор с двумя подключёнными к нему хостами.

• Для запуска топологии (рис. 1) используем параметры командной строки:

  sudo mn --topo=linear,2 -x
  

3.2 Рабочие файлы

• Подключимся к виртуальной машине:

  ssh -Y mininet@192.168.x.y
  

• Для рабочих файлов будем использовать каталог ~/work/lab_tbf:

  mkdir -p ~/work/lab_tbf
  

4 Интерактивный эксперимент

4.1 Отсутствие ограничения скорости

• Запустим iPerf3 в режиме сервера, выполните команду iperf3 -s в терминале хоста h2:

  iperf3 -s
  

• Запустим iPerf3 в клиентском режиме, запустите команду iperf3 -c 10.0.0.2 для хоста h1:

  iperf3 -c 10.0.0.2
  

• Чтобы остановить сервер, нажмите Ctrl+c в терминале хоста h2.

4.2 Ограничение скорости на конечных хостах

• Команду tc можно применить к сетевому интерфейсу устройства для формирования исходящего трафика.
• Будем ограничивать скорость отправки конечного хоста с помощью фильтра Token Bucket Filter (tbf), который является реализацией алгоритма Token Bucket.

4.2.1 Определим интерфейс хостов h1 и h2

• На хосте h1 введите команду ifconfig, чтобы отобразить информацию, относящуюся к его сетевым интерфейсам и назначенным им IP-адресам.
  • Хост h1 имеет два интерфейса: h1-eth0 и lo. Интерфейс h1-eth0 на хосте h1 настроен с IP-адресом 10.0.0.1 и маской подсети 255.0.0.0. Этот интерфейс необходимо использовать в tc при эмуляции сети.
• В командной строке хоста h2 также введите команду ifconfig.
  • Хост h2 имеет два интерфейса: h2-eth0 и lo. Интерфейс h2-eth0 на хосте h1 настроен с IP-адресом 10.0.0.2 и маской подсети 255.0.0.0. Этот интерфейс необходимо использовать в tc при эмуляции сети.

4.2.2 Эмуляция глобальной сети 10 Гбит/с с высокой задержкой

• Будем использовать команду tbf на сетевом интерфейсе для управления скоростью исходящего трафика.
• Измените пропускную способность хоста h1:

  sudo tc qdisc add dev h1-eth0 root tbf rate 10gbit burst 5000000 limit 15000000
  

• Эта команда устанавливает пропускную способность на 10 Гбит/с на интерфейсе h1-eth0 хоста h1.
• Параметры Token Bucket Filter:
  • rate : 10gbit;
  • burst : 5,000,000;
  • limit : 15,000,000.
• Распишем элементы команды:
  • sudo : включить выполнение команды с более высокими привилегиями безопасности;
  • tc : вызвать управление трафиком Linux;
  • qdisc : изменить дисциплину очередей сетевого планировщика;
  • add (добавить): создать новое правило;
  • dev h1-eth0 root : интерфейс, на котором будет применяться правило;
  • tbf : использовать алгоритм Token Bucket Filter;
  • rate : укажите скорость передачи (10 Гбит/с);
  • burst : количество байтов, которое может поместиться в корзину (5 000 000) за один такт;
  • limit : размер очереди в байтах (15 000 000).
• Расчёт всплеска.
  • tbf требует установки значения всплеска при ограничении скорости. Это значение должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить установленную вами скорость.
  • Она должна быть не ниже указанной частоты, делённой на HZ, где HZ — тактовая частота, настроенная как параметр ядра, и может быть извлечена с помощью следующей команды:

    egrep '^CONFIG_HZ_[0-9]+' /boot/config-`uname -r`
    

  • HZ на h1 — 250. Таким образом, для расчёта всплеска делим 10 Гбит/с на 250:
    • 10 Gbps = 10,000,000,000 bps;
    • burst = 10,000,000,000 [bps]/250 [s^-1] = 40,000,000 [bit] = 40,000,000/8 [byte] = 5,000,000 [byte].
  • Полученное значение должно использоваться в команде в качестве значения burst (всплеска).
• Проверим конфигурацию с помощью инструмента iperf3 для измерения пропускной способности.
• Запустим iPerf3 в режиме сервера, выполните команду iperf3 -s в терминале хоста h2:

  iperf3 -s
  

• Запустим iPerf3 в клиентском режиме, запустите команду iperf3 -c 10.0.0.2 для хоста h1:

  iperf3 -c 10.0.0.2
  

• Чтобы остановить сервер, нажмите Ctrl+c в терминале хоста h2.
• Удалите конфигурацию на хосте h1:

  sudo tc qdisc del dev h1-eth0 root
  

4.3 Ограничение скорости на коммутаторах

• Применим Token Bucket Filter к интерфейсам коммутатора.

• При ограничении скорости на интерфейсе s1-eth2 коммутатора s1 все сеансы связи между коммутатором s1 и коммутатором s2 будут фильтроваться в соответствии с применяемыми правилами.

• Введите в терминале s1 команду ifconfig, чтобы отобразить информацию, связанную с его сетевыми интерфейсами:

  • s1-eth1 : интерфейс, соединяющий коммутатор s1 с хостом h1;
  • s1-eth2 : интерфейс, соединяющий коммутатор s1 с коммутатором s2;
  • s2-eth1 : интерфейс, соединяющий коммутатор s2 с хостом h2;
  • s2-eth2 : интерфейс, соединяющий коммутатор s2 с коммутатором s1.

• Примените правило ограничения скорости tbf к интерфейсу коммутатора s1, который соединяет его с коммутатором s2 (s1-eth2):

  sudo tc qdisc add dev s1-eth2 root tbf rate 10gbit burst 5000000 limit 15000000
  

  • Параметры Token Bucket Filter следующие:
    • rate : 10gbit;
    • burst : 5,000,000;
    • limit : 15,000,000.

• Проверим конфигурацию с помощью инструмента iperf3 для измерения пропускной способности.

• Запустим iPerf3 в режиме сервера, выполните команду iperf3 -s в терминале хоста h2:

  iperf3 -s
  

• Запустим iPerf3 в клиентском режиме, запустите команду iperf3 -c 10.0.0.2 для хоста h1:

  iperf3 -c 10.0.0.2
  

• Чтобы остановить сервер, нажмите Ctrl+c в терминале хоста h2.

• Удалите конфигурацию на коммутаторе s1:

  sudo tc qdisc del dev s1-eth2 root
  

4.4 Объединение NETEM и TBF

• NETEM используется для введения задержки, джиттера, повреждения пакетов и т. д.

• TBF может использоваться для ограничения скорости.

• Возможно комбинировать несколько модулей.

• Первый qdisc (qdisc1) присоединён к корневой метке. Затем последующие qdisc можно прикрепить к своим родителям, указав правильную метку.

• Объединим NETEM и TBF, чтобы сделать эмуляцию адекватней. Введём задержку, джиттер и повреждение пакетов, указав скорость на интерфейсе коммутатора s1.

• Введём в терминале коммутатора s1:

  sudo tc qdisc add dev s1-eth2 root handle 1: netem delay 10ms
  

  • Ключевое слово handle задаёт дескриптор подключения, имеющий смысл очерёдности подключения разных дисциплин qdisc.

• Теперь можно убедиться, что соединение от хоста h1 к хосту h2 имеет заданную задержку.

• Запустите команду ping с терминала хоста h1:

  ping 10.0.0.2
  

• Нажмите Ctrl+c, чтобы остановить тест.

• Добавим второе правило на коммутаторе s1, которое задаёт ограничение скорости с помощью tbf:

  sudo tc qdisc add dev s1-eth2 parent 1: handle 2: tbf rate 2gbit burst 1000000 limit 2000000
  

  • Параметры Token Bucket Filter следующие:
    • rate : 2gbit;
    • burst : 1,000,000;
    • limit : 2,000,000.

• Проверим предыдущую конфигурацию с помощью инструмента iperf3 для измерения пропускной способности.

• Запустим iPerf3 в режиме сервера, выполните команду iperf3 -s в терминале хоста h2:

  iperf3 -s
  

• Запустим iPerf3 в клиентском режиме, запустите команду iperf3 -c 10.0.0.2 для хоста h1:

  iperf3 -c 10.0.0.2
  

• Чтобы остановить сервер, нажмите Ctrl+c в терминале хоста h2.

• Удалите конфигурацию на коммутаторе s1:

  sudo tc qdisc del dev s1-eth2 root
  

4.5 Видео: Token Bucket Filter. Интерактивный эксперимент