Linux上でネットワークの帯域制限と遅延を設定する

無線通信をするアプリケーションのテストのために、帯域や遅延といった、ネットワークの状態をシミュレートしたいことがあると思います。
本記事では、Linux上で、ネットワークインタフェースに対する帯域制限と遅延の設定方法を説明します。

設定にはtcコマンドを使います。
tcコマンドとは、Traffic Controlコマンドのことで、Linux Kernel内の通信を制御します。

動作環境

本記事での動作環境を以下に示します。

  • ディストリビューション
  • $ cat /etc/lsb-release
    DISTRIB_ID=Ubuntu
    DISTRIB_RELEASE=14.04
    DISTRIB_CODENAME=trusty
    DISTRIB_DESCRIPTION="Ubuntu 14.04.3 LTS"
    
  • Linux Kernel
  • $ uname -sr
    Linux 3.16.0-30-generic
    
  • tcコマンド
  • Ubuntu14.04にデフォルトでインストールされているものを使います。

    設定方法

    最初にコマンドを示します。各コマンドの解説は後述します。

  • 帯域制限のみ
  • 出力帯域を50Mbpsに制限します。

    $ sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:0 tbf rate 50mbit burst 25kb limit 250kb
    
  • 遅延のみ
  • 50msの遅延と10msのジッタを発生させます。ジッタとは、遅延量の揺らぎのことです。

    $ sudo tc qdisc add dev root handle 1:0 netem delay 50ms 10ms distribution normal
    
  • 帯域制限と遅延
  • 帯域制限と遅延の両方を設定します。

    $ sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:0 tbf rate 50mbit burst 25kb limit 250kb
    $ sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10:1 netem delay 50ms 10ms distribution normal
    

    解説

    帯域制限

    以下のコマンドを実行すると、eth0の出力帯域を50Mbpsに制限します。

    $ sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:0 tbf rate 50mbit burst 25kb limit 250kb
    

    以下から、このコマンドの詳細について説明します。

  • rate
  • 帯域を指定します。50Mbpsに設定する場合は50mbitと指定します。
    50mbpsと指定すると、50Mbyte/secになります。単位に注意してください。

  • burst
  • バッファサイズを指定します。tc-tbf(8)のManページによると、

    The minimum buffer size can be calculated by dividing the rate by HZ.

    とのことなので、以下の式で設定値を計算します。

    burst(byte) = rate(byte) / HZ

    HZはタイマー割り込み周波数です。
    HZの値は以下のコマンドで確認できます。

    $ cat /boot/config-`uname -r` | grep 'CONFIG_HZ='
    CONFIG_HZ=250
    

    rateが50mbit、HZが250HZの場合、以下のように計算します。
    burst = (50 * 10^6 / 8) / 250 = 25 * 10^3

  • limit
  • burstと比較して十分に大きな値を設定します。
    十分に大きな値を設定することで、帯域制限の方式をシェーピングに設定します。
    帯域制限の方式及びシェーピングについては「ポリシングとシェーピングの概要」を参照してください。

    遅延の設定

    以下のコマンドを実行すると、eth0に遅延50msとジッタ10msを設定します。

    $ sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10:1 netem delay 50ms 10ms distribution normal
    

    以下から、このコマンドの詳細について説明します。

  • delay
  • 遅延を指定します。
    1つ目の引数で遅延を指定して、2つ目の引数でジッタを指定します。
    例えば、delay 50ms 10msなら、遅延は50ms、ジッタは10msとなります。
    その後の、distribution normalで、ジッタの分布を正規分布に指定します。
    以下に、distribution normalを指定した場合と、指定しなかった場合の、遅延の確率分布図を示します。

    dist_normal

    no_dist

    オプションを指定すると、遅延が正規分布に近い分布になることががわかります。
    また、オプションを指定しなかった場合には、遅延が一様分布に近い分布になることがわかります。

  • parent
  • parent 1:1で、既に設定してある帯域制限の設定と紐づけをします。
    詳細は「クラスフルなキューイング規則」を参照してください。

    設定確認

    tcコマンドで確認

    $ sudo tc qdisc show dev eth0
    qdisc tbf 1: root refcnt 2 rate 50000Kbit burst 25Kb lat 36.9ms 
    qdisc netem 10: parent 1:1 limit 1000 delay 50.0ms  10.0ms
    

    遅延の確認

    pingで遅延を確認します。

    $ ping 192.168.1.37 -c 100
    PING 192.168.1.37 (192.168.1.37) 56(84) bytes of data.
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=1 ttl=64 time=42.3 ms
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=2 ttl=64 time=47.9 ms
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=3 ttl=64 time=43.2 ms
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=4 ttl=64 time=53.5 ms
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=5 ttl=64 time=43.6 ms
    
    ~~~snip~~~
    
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=98 ttl=64 time=42.0 ms
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=99 ttl=64 time=63.4 ms
    64 bytes from 192.168.1.37: icmp_seq=100 ttl=64 time=45.4 ms
    
    --- 192.168.1.37 ping statistics ---
    100 packets transmitted, 100 received, 0% packet loss, time 99191ms
    rtt min/avg/max/mdev = 22.033/50.743/73.850/10.505 ms
    

    50msの遅延と10msのジッタが入っていることが確認できます。

    帯域の確認

    iperf3で帯域を確認します。
    iperf3とは、IPネットワーク上で帯域を測定するアプリケーションのことです。
    クライアント/サーバアプリケーションとして動作します。

  • クライアント
  • $ iperf3 -c 192.168.1.37
    Connecting to host 192.168.1.37, port 5201
    [  4] local 192.168.1.10 port 55652 connected to 192.168.1.37 port 5201
    [ ID] Interval           Transfer     Bandwidth       Retr  Cwnd
    [  4]   0.00-1.00   sec  4.61 MBytes  38.7 Mbits/sec    0    277 KBytes       
    [  4]   1.00-2.00   sec  5.40 MBytes  45.3 Mbits/sec    2    290 KBytes       
    [  4]   2.00-3.00   sec  5.56 MBytes  46.6 Mbits/sec    1    300 KBytes       
    [  4]   3.00-4.00   sec  5.88 MBytes  49.3 Mbits/sec    0    307 KBytes       
    [  4]   4.00-5.00   sec  5.45 MBytes  45.7 Mbits/sec    1    315 KBytes       
    [  4]   5.00-6.00   sec  5.75 MBytes  48.2 Mbits/sec    2    322 KBytes       
    [  4]   6.00-7.00   sec  5.70 MBytes  47.8 Mbits/sec    3    328 KBytes       
    [  4]   7.00-8.00   sec  5.83 MBytes  48.9 Mbits/sec    1    335 KBytes       
    [  4]   8.00-9.00   sec  5.78 MBytes  48.5 Mbits/sec    1    344 KBytes       
    [  4]   9.00-10.00  sec  5.42 MBytes  45.4 Mbits/sec    1    348 KBytes       
    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    [ ID] Interval           Transfer     Bandwidth       Retr
    [  4]   0.00-10.00  sec  55.4 MBytes  46.5 Mbits/sec   12             sender
    [  4]   0.00-10.00  sec  55.1 MBytes  46.2 Mbits/sec                  receiver
    
    iperf Done.
    
  • サーバ
  • $ iperf3 -s
    -----------------------------------------------------------
    Server listening on 5201
    -----------------------------------------------------------
    Accepted connection from 192.168.1.10, port 55651
    [  5] local 192.168.1.37 port 5201 connected to 192.168.1.10 port 55652
    [ ID] Interval           Transfer     Bandwidth
    [  5]   0.00-1.00   sec  3.76 MBytes  31.6 Mbits/sec                  
    [  5]   1.00-2.00   sec  5.45 MBytes  45.7 Mbits/sec                  
    [  5]   2.00-3.00   sec  5.64 MBytes  47.3 Mbits/sec                  
    [  5]   3.00-4.00   sec  5.71 MBytes  47.9 Mbits/sec                  
    [  5]   4.00-5.00   sec  5.64 MBytes  47.3 Mbits/sec                  
    [  5]   5.00-6.00   sec  5.68 MBytes  47.7 Mbits/sec                  
    [  5]   6.00-7.00   sec  5.74 MBytes  48.2 Mbits/sec                  
    [  5]   7.00-8.00   sec  5.73 MBytes  48.1 Mbits/sec                  
    [  5]   8.00-9.00   sec  5.68 MBytes  47.7 Mbits/sec                  
    [  5]   9.00-10.00  sec  5.65 MBytes  47.4 Mbits/sec                  
    [  5]  10.00-10.06  sec   363 KBytes  53.6 Mbits/sec                  
    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
    [ ID] Interval           Transfer     Bandwidth       Retr
    [  5]   0.00-10.06  sec  55.4 MBytes  46.2 Mbits/sec   12             sender
    [  5]   0.00-10.06  sec  55.1 MBytes  45.9 Mbits/sec                  receiver
    
    

    帯域が50Mbit/secに制限されていることが確認できます。

    以上、ネットワークインタフェースに対する帯域制限と遅延の設定方法でした。

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