CN102404226B - Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法，包括以下步骤：A10.在网络设备驱动层，完成数据帧中优先级字段数值与skb->nfmark的映射；A20.根据数据帧中的以太网类型，将数据帧引导进入Linux内核中的NF_IP_POSTROUTINGhook点；A30.对从NF_IP_POSTROUTINGhook点取出的数据帧，应用流量控制工具，通过htb与prio组合队列进行优先级调度。本发明通过调整linux内核源代码，综合运用TC等系统工具，实现了对linux系统中二层数据的绝对优先级调度，从而使高优先级数据的带宽得到保障。

Description

Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法

技术领域

本发明涉及IP QoS区分服务模型技术领域，具体涉及Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法。

背景技术

随着各种接入技术（EPON,GPON）的日趋成熟，IP网络的传输能力大大加强，新的业务也不断涌现。对IP网络的服务质量也提出了新的要求，例如VoIP、IPTV等实时业务对数据包的传输延迟提出了较高要求，如果数据包的传送延时太长，将是用户所不能接受的。为了支持具有不同服务质量需求的语音、视频以及数据等业务，要求IP网络具备区分业务以及提供有效服务质量保证的能力，QoS（Quality of Service，服务质量）技术的出现便致力于解决这个问题。

为满足IP网络上多种业务对QoS的需求，Internet工程任务组（IETF）先后制定了两种QoS服务模型：集成服务（InterServ）/RSVP模型和区分服务（DiffServ）模型。

集成服务/RSVP模型能够提供有绝对保证的QoS，但扩展性不好，对路由器的要求较高，实现相对复杂。区分服务模型(DiffServ)扩展性较好，便于实现，不影响路由等优点，目前在终端接入设备中广泛使用。

对于区分服务模型来说，业务流需要一个全网统一的优先级标记方式。在802.1p协议中，以太网帧携带VLAN TAG（VLAN标签）时，可以通过VLAN TAG的优先级字段来携带优先级信息。具体地说，802.1p协议头包括一个3bit的优先级字段，定义了8种优先级：最高优先级为7，应用于关键性网络流量，如路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径优先（OSPF）协议的路由表更新；优先级6和5主要用于延迟敏感（delay-sensitive）应用程序，如交互式视频和语音；优先级4到1主要用于受控负载（controlled-load）应用程序，如流式多媒体（streaming multimedia）和关键性业务流量（business-critical traffic）－例如，SAP 数据－以及 "loss eligible" 流量；优先级0是缺省值，并在没有设置其它优先级值的情况下自动启用。

目前运营商大都采用优先级来区分业务和进行优先级调度，最典型的对应关系如下表所示：

ITMS管理	优先级字段：4	优先级队列1
			VoIP	优先级字段：6	优先级队列2
IPTV	优先级字段：5	优先级队列3
			Internet	优先级字段：0	优先级队列4

从上表中我们不难看出，上网业务优先级字段值为0，具有较低的优先级，而IPTV和VoIP等实时业务，优先级字段值分别为6和5，具有较高的优先级。

根据运营商规划，在数据帧经过的每一个设备，都必须实现基于802.1p的优先级调度，否则无法实现业务的端到端的服务质量保证。

如附图1所示，用户通过宽带接入设备连接运营商网络（此处假设除宽带接入设备外的所有网络设备均实现了802.1p优先级调度），internet连接vlan为41，优先级为0，最大下载速度为5M；IPTV连接vlan为45，优先级为5，需要的最小带宽为4M。宽带接入设备提供的下行总带宽为5M。现在用户需要同时观看IPTV和进行internet高速下载，正常观看IPTV需要4M带宽，而internet高速下载最大可达5M流量，这样两流量相加为9M，远远的超出5M的带宽限制，如果在宽带接入设备上不进行有效的优先级调度的话，internet下载必将影响用户观看IPTV，这是用户所不能接受的。

为提供用户满意的服务，在宽带接入设备上实现基于802.1p的绝对优先级调度势在必行。宽带接入设备多采用嵌入式Linux操作系统，Linux操作系统自2.2版本以后，都提供了一个功能非常强大的流量控制工具--TC，TC把队列规定(Queuing discipline)、类(Class)、过滤器(Filter)结合在一起，可以提供和专业的带宽管理系统相媲美的流量控制管理。TC虽然使用低廉有效，但有几个缺陷：

1. TC对IP路由数据能提供有效的带宽管理，但对Linux系统中二层数据的调度却是无能为力；

2. Linux内核桥提供了丰富的队列形式（cbq，htb，prio），但没有一种队列可以实现限速加绝对优先级调度；

3. Linux提供的过滤器不能针对数据帧的优先级字段进行分类和队列映射。

如何克服和解决上述三点限制，将是利用Linux TC工具实现基于802.1p有效调度的关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决利用Linux TC工具实现基于802.1p有效调度的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种的Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法，包括以下步骤：

A10、在网络设备驱动层，完成数据帧中优先级字段数值与skb->nfmark的映射；

A20、根据数据帧中的以太网类型，将数据帧引导进入Linux内核中的NF_IP_POSTROUTING hook点；

A30、对从NF_IP_POSTROUTING hook点取出的数据帧，应用流量控制工具，通过htb与prio组合队列进行优先级调度。

在上述方法中，步骤A10的具体步骤为，

A101、Linux系统宽带网络接入设备接收数据帧，并将数据帧转入网络设备驱动层；

A102、检测数据帧是否携带VLAN标签，如果带有VLAN 标签，则将VLAN 标签中的优先级值映射为对应的skb->nfmark值；如果数据帧不带VLAN TAG，则相应的skb->nfmark值为0。

在上述方法中，步骤A20包括以下步骤：

A201、用户根据需要调度的以太网类型，向linux内核空间配置QoS调度的以太网类型链表；

A202、利用函数br_nf_post_routing检测数据帧的以太网类型，与以太网类型链表进行匹配，如果匹配不成功，则由Linux内核桥直接转发；否则转步骤A203；

A203、将数据帧引导进入Linux内核中的NF_IP_POSTROUTING hook点。

在上述方法中，步骤A30包括以下步骤：

A301、添加一条iptables规则，根据数据帧的输出端口标识，将该数据帧引导进入相应输出端口的中介队列设备IMQ；

A302、在中介队列设备IMQ中添加htb与prio的组合队列；

A303、以所述skb->nfmark值为依据，利用TC过滤器将数据帧压入htb与prio组合队列不同优先级子队列中。

在上述方法中，在步骤A202中，将数据帧引导进入NF_IP_POSTROUTING hook点时，同时将数据帧中的skb->ether_type_tc_flags值设置为0x1。

在上述方法中，步骤A303的具体步骤为：

A3031、利用函数ipt_route_hook遍历iptables规则，判断从哪些输出端口输出的数据帧需要进行QoS调度，需要进行QoS调度的数据帧转入步骤A3032，不需要调度的数据帧转入步骤A3033；

A3032、从NF_IP_POSTROUTING hook点取出数据帧，根据skb->nfmark值，将数据帧映射到不同的优先级队列中，htb与prio组合队列优先转发高优先级队列中的数据帧，丢弃超出带宽的低优先级队列中的数据帧；

A3033、完成数据帧中skb->nfmark与优先级值的逆映射，并从相应的输出端口输出。

本发明，通过调整linux内核源代码，综合运用TC等系统工具，实现了对linux系统中二层数据802.1p的绝对优先级的调度，从而使高优先级数据帧的带宽得到了有效保障。

附图说明

图1是基于802.1p绝对优先级调度典型应用场景；

图2是Linux内核桥中htb与prio组合队列示意图；

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是：在网络设备驱动层完成数据帧中优先级字段与skb->nfmark的一一映射关系，然后再利用流量控制工具TC filter，根据skb->nfmark，将数据帧分别压入htb与prio组合队列的不同优先级子队列，实现对数据帧的限速以及绝对优先级调度。

本发明提供的方法，主要应用于宽带接入设备，且宽带接入设备提供桥接通道供用户接入运营商网络，所有数据均通过linux内核桥转发。

如附图1所示，家庭用户通过宽带接入设备连接运营商网络，其中上网数据vlan为41、优先级值为0；IPTV数据vlan为45、优先级值为5，且用户均通过PPPoE的拨号方式连接到运营商网络。用户上网下载的最大速率为5M，保证流畅观看IPTV节目的最小带宽要求为4M，同时运营商要求宽带接入设备下行总带宽为5M。在这种情况下，如果用户在高速下载的同时在观看IPTV节目，则在宽带接入设备上，存在9M（5M+4M）数据抢占5M带宽的情景。如果宽带设备不执行有效的QoS管理，那么上网下载数据与IPTV数据将会随机的丢弃部分，从而直接导致用户无法观看到清晰流畅IPTV节目。

本发明在宽带接入设备下行方向，将优先级为5的IPTV数据映射到高的优先级队列1，将普通下载数据映射到低优先级队列3，从而有效保证IPTV数据的带宽要求，使用户在高速下载的同时，享受流畅的IPTV节目。

下面结合附图3对本发明的实现流程进行详细的说明，主要包括三个步骤：

A10、在网络设备驱动层，完成数据帧中优先级字段数值与skb->nfmark的映射；

A20、根据数据帧中的以太网类型，将需要调度的数据帧引导进入Linux内核中的NF_IP_POSTROUTING hook点；

A30、对从NF_IP_POSTROUTING hook点取出的数据帧，应用流量控制工具，通过htb与prio组合队列进行优先级调度，其中htb用于限制总带宽，prio用于实现绝对优先级调度。

具体地说：

步骤A10的具体步骤为：

A101、Linux系统宽带网络接入设备接收数据帧，并将数据帧转入网络设备驱动层；

A102、检测数据帧是否携带VLAN TAG（VLAN标签），如果带有VLAN TAG，则将VLAN TAG中的优先级值映射为对应的skb->nfmark值，其对应关系为：优先级 0对应skb->nfmark 1；优先级1对应skb->nfmark 2；优先级2对应skb->nfmark 3....，依次类推；如果数据帧中没有VLAN TAG，则相应的skb->nfmark值为0。

步骤A20的具体步骤为：

A201、用户根据需要调度的以太网类型，向linux内核空间配置QoS调度的以太网类型链表，例如：PPPoE以太网类型为0x8863或0x8864等。

A202、利用函数br_nf_post_routing检测数据帧的以太网类型，依次与需要进行QoS调度的以太网类型链表中的数值进行匹配，如果匹配成功则转入步骤A203；如果匹配不成功，说明该数据帧不需要进行QoS调度，由Linux内核桥直接转发；

A203、将数据帧引导进入NF_IP_POSTROUTING hook点，并将数据帧中的skb->ether_type_tc_flags设置为0x1，以便三层数据处理函数区分。

步骤A30的具体步骤为：

A301、添加一条iptables规则，根据数据帧的输出端口标识，将该数据帧引导进入相应输出端口的中介队列设备IMQ；

A302、在中介队列设备IMQ中添加htb与prio组合队列，htb用于限制总带宽，prio用于实现绝对优先级调度；

A303、以所述skb->nfmark值为依据，利用TC过滤器将数据帧压入htb与prio组合队列不同优先级子队列中。

步骤A303的具体步骤为：

A3031、利用函数ipt_route_hook遍历iptables规则，判断从哪些输出端口输出的数据帧需要进行QoS调度，需要进行QoS调度的数据帧转入步骤A3032，不需要调度的数据帧转入步骤A3033。

ipt_route_hook遍历的iptables规则可以由iptables命令进行配置，例如从网络接口eth0.41输出的数据帧需要压入中介队列设备imq1进行QoS调度，则可以执行以下指令：

  iptables -t mangle -A POSTROUTING -m physdev --physdev-out eth0.41 -j IMQ --todev 1。

A3032、从NF_IP_POSTROUTING hook点取出数据帧，根据数据帧中的skb->nfmark值，将数据帧映射到不同的优先级队列中，htb与prio组合队列优先转发高优先级队列中的数据帧，丢弃超出带宽的低优先级队列中的数据帧，如图2所示。

例如，将skb->nfmark值为6的数据映射到队列2：1命令如下：

  tc filter add dev imq0 parent 2:0 protocol ip prio 200 handle 6 fw classid 2:1

A3033、完成数据帧中skb->nfmark与优先级值的逆映射，并从相应的输出端口输出。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

A10、在网络设备驱动层，完成数据帧中优先级字段数值与skb->nfmark的映射；

A20、根据数据帧中的以太网类型，将数据帧引导进入Linux内核中的NF_IP_POSTROUTING hook点，同时将数据帧中的skb->ether_type_tc_flags值设置为0x1；

A30、对从NF_IP_POSTROUTING hook点取出的数据帧，应用流量控制工具，通过htb与prio组合队列进行优先级调度；

步骤A30包括以下步骤：

A301、添加一条iptables规则，根据数据帧的输出端口标识，将该数据帧引导进入相应输出端口的中介队列设备IMQ；

A302、在中介队列设备IMQ中添加htb与prio的组合队列；

A303、以所述skb->nfmark值为依据，利用TC过滤器将数据帧压入htb与prio组合队列不同优先级子队列中；

步骤A303的具体步骤为：

A3031、利用函数ipt_route_hook遍历iptables规则，判断从哪些输出端口输出的数据帧需要进行QoS调度，需要进行QoS调度的数据帧转入步骤A3032，不需要调度的数据帧转入步骤A3033；

A3032、从NF_IP_POSTROUTING hook点取出数据帧，根据skb->nfmark值，将数据帧映射到不同的优先级队列中，htb与prio组合队列优先转发高优先级队列中的数据帧，丢弃超出带宽的低优先级队列中的数据帧；

A3033、完成数据帧中skb->nfmark与优先级值的逆映射，并从相应的输出端口输出。

2.如权利要求1所述的Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法，其特征在于，步骤A10的具体步骤为，

A101、Linux系统宽带网络接入设备接收数据帧，并将数据帧转入网络设备驱动层；

A102、检测数据帧是否携带VLAN标签，如果带有VLAN标签，则将VLAN标签中的优先级值映射为对应的skb->nfmark值；如果数据帧不带VLANTAG，则相应的skb->nfmark值为0。

3.如权利要求1所述的Linux系统下基于802.1p的数据帧绝对优先级调度方法，其特征在于，步骤A20包括以下步骤：

A201、用户根据需要调度的以太网类型，向linux内核空间配置QoS调度的以太网类型链表；

A202、利用函数br_nf_post_routing检测数据帧的以太网类型，与以太网类型链表进行匹配，如果匹配不成功，则由Linux内核桥直接转发；否则转步骤A203；

A203、将数据帧引导进入Linux内核中的NF_IP_POSTROUTING hook点。