使用 tc 和 netem 在 Linux 上模拟网络延迟、丢包与乱序

在网络应用的开发和测试过程中，我们经常需要验证程序在恶劣网络条件下的表现。真实网络环境中的延迟抖动、丢包和乱序往往难以复现，而 Linux 内核自带的 tc（Traffic Control）工具配合 netem（Network Emulator）模块，恰好提供了一套强大且灵活的网络损伤模拟方案。本文将系统介绍如何使用这两件工具，在本地或测试环境中精确模拟各种网络异常。

一、认识 tc 与 netem

tc 是 Linux 下用于配置内核流量控制子系统的命令行工具，它能够对网卡出口（egress）和入口（ingress）方向的数据包进行排队、调度、整形和过滤。netem 则是 tc 的一个排队规则（qdisc）模块，全称 Network Emulator，专门用于模拟网络传输中的延迟、丢包、重复、乱序和损坏等行为。

需要特别注意的是，netem 主要作用于出口方向。也就是说，当你在某台主机上对 eth0 添加 netem 规则时，影响的是从该主机发出的数据包。如果希望同时影响入口流量，通常需要借助 IFB（Intermediate Functional Block）虚拟设备进行重定向，这一点后文会详细说明。

二、准备工作

在开始之前，请确认内核已编译 netem 模块，并且系统已安装 iproute2 套件（通常默认包含 tc）。可以通过以下命令检查：

tc qdisc show
modinfo netem

如果 modinfo 能正常输出模块信息，说明 netem 可用。大多数现代发行版（如 Ubuntu、CentOS、Debian）都默认支持。

三、基本操作语法

tc 的核心操作围绕 qdisc（排队规则）、class（类别）和 filter（过滤器）展开。模拟网络损伤时，最常用的命令形式是：

tc qdisc add dev <网卡> root netem <参数>

其中 <网卡> 替换为实际接口名，如 eth0、ens33 等。root 表示将该 qdisc 挂载到网卡的根位置。修改已有规则使用 change，删除使用 del。

四、模拟网络延迟

延迟是最常见的网络损伤。以下命令为 eth0 的出站流量增加 100 毫秒固定延迟：

tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100ms

真实网络中的延迟往往带有抖动，netem 支持指定延迟范围或抖动值：

tc qdisc change dev eth0 root netem delay 100ms 20ms

这表示延迟在 100ms 上下 20ms 范围内随机波动。还可以加入相关性参数，让抖动更接近真实网络：

tc qdisc change dev eth0 root netem delay 100ms 20ms 25%

最后的 25% 表示前一个数据包的延迟与当前数据包延迟之间的相关性。延迟参数支持 us、ms、s 等单位。

五、模拟丢包

丢包通过 loss 参数实现。以下命令模拟 10% 的随机丢包：

tc qdisc change dev eth0 root netem loss 10%

netem 的丢包模型基于随机数生成器，也可以指定相关性，使丢包呈现突发特征：

tc qdisc change dev eth0 root netem loss 10% 50%

此外，还可以使用 loss gemodel 采用更符合真实网络的两状态 Gilbert-Elliott 模型：

tc qdisc change dev eth0 root netem loss gemodel 1% 10% 70% 0.1%

这四个参数分别表示良好状态丢包率、不良状态丢包率、进入不良状态概率和离开不良状态概率，适合模拟具有突发性的无线网络丢包。

六、模拟乱序

乱序通过 reorder 参数控制。要模拟乱序，通常需要先配合延迟，因为 netem 实现乱序的方式是：将一部分数据包延迟发送，从而打乱到达顺序。例如：

tc qdisc change dev eth0 root netem delay 10ms reorder 25% 50%

这里 25% 表示有 25% 的数据包会被乱序发送，50% 表示这些乱序包与前一包的相关性。需要注意的是，如果只写 reorder 而不设置延迟，乱序效果可能不明显，因为内核需要一定的时间窗口来重排数据包。

七、组合多种损伤

实际网络问题往往同时包含延迟、丢包和乱序。netem 允许在一条命令中组合多个参数：

tc qdisc change dev eth0 root netem delay 50ms 10ms loss 5% reorder 10% 50%

这条规则同时施加了 50ms 基础延迟、10ms 抖动、5% 丢包和 10% 乱序，能够较好地模拟一条质量较差的移动网络链路。

八、模拟入口流量

如前所述，netem 默认只影响出口流量。若要限制入口方向，需要加载 ifb 模块并创建虚拟接口：

modprobe ifb
ip link set ifb0 up
tc qdisc add dev eth0 handle ffff: ingress
tc filter add dev eth0 parent ffff: protocol ip u32 match u32 0 0 action mirred egress redirect dev ifb0
tc qdisc add dev ifb0 root netem delay 100ms

这样，从 eth0 进入的数据包会被重定向到 ifb0，再经由 netem 处理，从而实现入口方向的延迟模拟。丢包和乱序同理。

九、查看与清除规则

查看当前规则：

tc qdisc show dev eth0
tc -s qdisc show dev eth0

-s 参数会显示统计信息，包括已发送、已丢弃的数据包数量，便于验证规则是否生效。

清除所有规则，恢复默认状态：

tc qdisc del dev eth0 root

对于入口方向的规则，需要分别清除：

tc qdisc del dev eth0 ingress
tc qdisc del dev ifb0 root

十、实用建议与注意事项

第一，netem 规则只影响本机发出的流量，测试时应在客户端或服务端其中一侧配置，避免双向叠加导致结果难以分析。第二，延迟值不宜设置过大，否则可能触发 TCP 重传超时，反而掩盖了原本要测试的问题。第三，在生产环境操作前务必在测试机验证，错误的 qdisc 规则可能导致网络中断。第四，若使用容器或虚拟机，需确认网卡名称与宿主机不同，规则应加在容器实际使用的 veth 接口上。

结合 ping、iperf3、curl 等工具，可以直观地观察规则生效后的网络表现。例如在配置了 100ms 延迟后，ping 的 RTT 应明显上升；配置丢包后，iperf3 的吞吐量会下降并出现重传。

结语

tc 与 netem 的组合为 Linux 平台提供了一套低成本、高精度的网络损伤模拟方案。无论是测试 TCP 拥塞控制算法、验证音视频应用的抗抖动能力，还是评估分布式系统在弱网下的容错表现，它都能派上用场。掌握延迟、丢包、乱序这几个核心参数的用法，再结合 IFB 处理入口流量，基本可以覆盖绝大多数弱网测试场景。建议读者在自己的实验环境中反复练习，逐步建立起对网络参数与真实体验之间对应关系的直觉。

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