Linux内核默认规则qdisc发展： fq_codel / mq

一、前言

Ubuntu的默认qdisc规则会随内核版本迭代逐步优化，核心变化是从早期简单的先进先出规则，过渡到支持多队列、低延迟的智能调度规则，适配不同时期的网络需求。以下按内核版本阶段梳理其默认qdisc规则，结合对应Ubuntu发行版实例说明：

1. 内核3.12之前（对应Ubuntu 14.04及更早版本）
   这一阶段默认qdisc为pfifo_fast。它是一种带优先级的先进先出队列规则，包含3个优先级队列（band），数据包会根据优先级映射到不同队列，高优先级队列的数据包优先发送，适配早期简单的网络传输场景。该规则逻辑简单、开销低，但不具备延迟控制和带宽公平分配能力，在高并发场景下易出现缓冲膨胀问题。
2. 内核3.12 - 4.11（对应Ubuntu 16.04等版本）
   此阶段内核开始支持fq_codel，但默认qdisc仍以pfifo_fast为主。不过部分支持多队列网卡的设备会默认启用mq（多队列）调度器。mq本身不直接处理数据包调度，而是为网卡的每个硬件发送队列绑定独立的子qdisc，默认子qdisc依然是pfifo_fast。这种组合能将数据包处理负载分散到多个CPU核心，提升多线程网络场景的处理效率，适配当时逐步普及的多核服务器和千兆网卡。
3. 内核4.12 - 5.14（对应Ubuntu 18.04、Ubuntu 20.04等版本）
   这一阶段是qdisc规则的过渡阶段，主要有两种情况：
   • 普通单队列网卡的默认qdisc逐步切换为fq_codel。该内核版本完善了fq_codel的稳定性，其融合公平调度与延迟控制能力，能解决pfifo_fast的缓冲膨胀问题，同时默认启用ECN拥塞通知，提升传输效率，适配视频通话、在线办公等对延迟敏感的场景。
   • 多队列网卡仍默认用mq作为顶层调度器，但其绑定的子qdisc从pfifo_fast替换为fq_codel。此外，部分用户为搭配BBR拥塞控制算法，会手动将默认qdisc修改为fq，但系统出厂默认仍以fq_codel和mq组合为主。
4. 内核5.15及之后（对应Ubuntu 22.04、Ubuntu 24.04等新版本）
   该阶段默认qdisc正式全面稳定为fq_codel。一方面，内核对fq_codel的参数适配进一步优化，默认配置（如limit 10240数据包、target 5ms延迟阈值）可满足绝大多数场景；另一方面，针对多队列网卡，系统会自动协调mq与fq_codel的配合，顶层用mq实现多核负载分担，底层每个子队列用fq_codel管控延迟和带宽，兼顾性能与稳定性。此时pfifo_fast仅作为备用规则，仅在特殊兼容场景或网卡不支持复杂调度时触发。

若需确认当前Ubuntu系统的默认qdisc，可通过tc qdisc show dev 网卡名（如tc qdisc show dev eth0）查看具体网卡的调度规则，也可通过sysctl net.core.default_qdisc查看系统全局默认配置。

二、fq_codel

FQ_Codel（Fair Queue Controlled Delay，公平队列控制延迟）是一种融合公平排队与CoDel主动队列管理机制的队列调度算法，核心用于解决网络中的带宽抢占和缓冲区膨胀问题，由Eric Dumazet对CoDel算法改进而来，目前已广泛应用在Linux内核、路由器系统等网络设备中。以下是其详细介绍：

1. 核心设计目标
   1. 解决带宽公平性问题：避免单一数据流（如大文件下载）独占网络带宽，确保DNS查询、视频会议等小流量或实时流量能获得足够带宽，保障各类应用的基本网络体验。
   2. 抑制缓冲区膨胀：缓冲区膨胀会导致数据包在队列中滞留过久，引发网络延迟激增。该算法通过动态控制队列延迟，减少不必要的数据包堆积，从根源缓解这一问题。
2. 核心工作机制
   FQ_Codel的功能实现依赖两大核心模块的协同工作，实际并未采用传统FQ算法，而是通过DRR（赤字轮询）算法实现公平调度，搭配CoDel算法控制延迟。
   1. DRR公平调度模块：首先通过数据包的五元组（源IP、目的IP、源端口、目的端口、协议）哈希，将所有进入的流量划分为多个独立流队列，默认最多支持1024个流。之后采用DRR算法分配带宽，为每个队列设定“赤字额度”，调度时依次为队列分配发送机会，发送数据包后扣除对应额度，不足时则累积额度等待下一轮，以此保证各流公平占用带宽。同时新流会获得比旧流更高的优先级，减少新连接的等待延迟。
   2. CoDel延迟控制模块：每个独立流队列都会由CoDel算法单独管理。CoDel通过监控数据包在队列中的驻留时间，当延迟超过预设的target（默认5ms）且持续时长达到interval（默认100ms）时，触发主动丢包。丢包过程会从温和逐步转为激进，直到队列延迟回落至目标值；若延迟恢复正常，则重置丢包机制。这种方式能促使发送端感知拥塞并降低发送速率，避免队列持续拥堵。且CoDel内部采用FIFO队列，可避免单一流内部的数据包乱序。
3. 关键配置参数
   该算法的参数可通过网络配置工具调整，适配不同场景，常见核心参数如下：

   参数	默认值	作用
   limit	10240个数据包	队列的最大容量，超出此限制的数据包会被直接丢弃
   flows	1024	可划分的最大流数量，配置时需提前分配哈希表内存
   target	5ms	数据包在队列中可接受的目标延迟
   interval	100ms	延迟检测窗口，用于确认延迟是否持续超标，需匹配网络瓶颈的往返时间
   quantum	1514字节	DRR调度的基本带宽单位，通常与网络接口的MTU值匹配
   ecn	关闭	是否启用显式拥塞通知，启用后会标记拥塞而非直接丢包，需网络设备协同支持

4. 典型应用场景
   1. 家用与企业路由器：像OpenWrt、Tomato、DD - WRT等开源路由器系统，早在2014年OpenWrt 14.07版本中就将其作为默认队列管理方案，可解决多设备同时联网时的带宽争抢问题，保障网课、游戏等实时应用的流畅性。
   2. 服务器与数据中心：Linux内核3.11版本后引入该算法，4.12版本起将其作为默认队列调度策略，能保障服务器上多个服务的流量公平分发，避免单个高负载服务拖慢其他服务。
   3. 防火墙与网关设备：在OPNsense等防火墙系统中，FQ_Codel通过管道、队列和规则的组合配置，实现上下行流量的整形，适配不同带宽场景下的延迟控制需求。
5. 核心优势
   1. 低配置成本：相比RED等传统队列算法，无需复杂的参数调优，默认参数即可适配多数网络场景，降低了运维难度。
   2. 兼顾公平与低延迟：既通过多流隔离避免带宽抢占，又通过精准的延迟监控减少数据包滞留，平衡了各类流量的传输需求。
   3. 资源开销低：算法逻辑简洁，对硬件的CPU和内存消耗较小，可适配从家用网关到数据中心设备的不同硬件规模。

三、mq

mq qdisc指Linux流量控制（TC）中的多队列排队规则，它是专门为多队列网卡设计的“桥接式”空壳排队规则，核心作用是对接网卡的多个硬件发送队列，本身不做复杂调度，仅负责流量分发和子排队规则管理，以下是其详细规则说明：

1. 核心定位与设计初衷
   mq qdisc本质是一个“傀儡调度器”，自身没有独立的排队、丢包或带宽分配逻辑。在配备多队列网卡的Linux设备中，内核会自动初始化该规则，目的是将软件层面的流量与网卡的多个硬件发送队列（Tx queues）对应起来，通过并行处理多个队列的流量提升网卡数据传输效率，解决单队列网卡在高负载下的性能瓶颈。2009年它被加入Linux内核，是多队列网卡发挥性能的关键流量控制组件。
2. 默认工作机制
   • 子队列初始化：创建mq qdisc时，会为网卡的每个硬件发送队列分配一个默认子排队规则，默认是pfifo_fast（基于优先级的先进先出队列）。比如网卡有4个硬件发送队列，mq qdisc就会生成4个pfifo_fast子队列，每个子队列对应一个硬件队列。
   • 流量分发方式：通过哈希函数对数据包进行计算，将不同流的流量分散到各个子队列中，避免单一子队列过度拥堵，实现流量的负载均衡。
3. 关键特性与限制

   特性	具体说明
   无独立调度能力	自身不处理数据包的排序、丢包或优先级控制，所有核心调度逻辑均由挂载的子qdisc（如pfifo_fast、fq_codel等）实现
   强制队列匹配	必须创建与网卡硬件发送队列数量一致的子qdisc，不允许内部创建独立队列，也无需额外配置数据包过滤器
   支持子规则替换	默认子qdisc是pfifo_fast，但可根据需求替换为fq_codel、htb等更复杂的规则，适配不同场景（如低延迟、带宽限速等）
   仅适配多队列设备	若网络设备是单队列网卡，mq qdisc无法初始化，系统会默认使用pfifo_fast等单队列规则

4. 常用操作命令
   可通过Linux的tc工具对mq qdisc进行查看、配置等操作，常见命令如下：
   • 查看网卡的mq qdisc配置：查看指定网卡（如eth0）上的mq qdisc及流量统计，命令为tc -s qdisc show dev eth0。若网卡启用多队列，结果会显示qdisc mq及对应的发送字节数、数据包数量等信息。
   • 查看子队列（类）详情：mq qdisc下的每个子qdisc以class形式存在，查看命令为tc -s class show dev eth0，可查看每个子队列的流量传输、丢弃情况。
   • 修改子队列默认规则：若需将默认的pfifo_fast替换为fq_codel，可先创建mq qdisc并添加类，再为每个类挂载fq_codel子规则，类似ns-3中的配置逻辑。
5. 典型应用场景
   • 高性能服务器：多队列网卡的服务器（如数据中心服务器）使用mq qdisc，搭配fq_codel子规则，既能通过多队列并行传输提升吞吐量，又能解决带宽抢占和延迟问题，保障多服务同时运行时的网络稳定性。
   • 无线网络设备：在支持QoS的WiFi设备中（通常含多个传输队列），mq qdisc可对接不同优先级的流量（如语音、视频、普通数据），将高优先级流量映射到专属子队列，保障实时业务的传输质量。
   • 企业网关：多队列网关设备通过mq qdisc分散不同部门或业务的流量，后续可通过子规则对各队列设置带宽上限，实现精细化的流量管理。