Linux 网络模拟：tc 与 netem 注入延迟、抖动与丢包

Linux 网络模拟：用 tc 与 netem 注入延迟、抖动与丢包

线上应用出问题，最常被甩锅的是"网络不好"：异地机房间隔 200ms、跨境链路丢包重传、移动网络忽快忽慢。可本地开发环境走的是机房内部网络，1ms 都不到——于是很多只在真实公网下才会暴露的问题（TCP 窗口上不去、超时重试逻辑太激进、视频卡顿）在测试环境里永远复现不出来。

netem（Network Emulator）就是为解决这个问题而生的：它是 Linux 内核自带的网络模拟模块，挂在流量控制的 qdisc（排队规则）上，可以给流量注入人为的延迟、抖动、丢包、乱序、重复。不需要真跨网络，一台服务器就能模拟出"在 200ms 延迟、20% 丢包的链路上运行"的完整体验。

本文全部实验都在回环接口 lo 上进行——只影响本机自己 ping 自己的流量，不碰真实网卡，绝不会把自己远程连接的 SSH 断掉。实验环境为 Ubuntu 24.04.4（内核 6.8，iproute2 自带 tc），所有命令真实执行，截图即真实输出。

tc 与 qdisc：流量控制的基本模型

Linux 的流量控制（traffic control，tc）由三层组成：qdisc（排队规则，挂在接口上）、class（qdisc 内部的分类）、filter（把包分到各类的过滤器）。对模拟场景来说，只需要理解 qdisc：每个网卡出口（egress）都有一个 root qdisc 负责排队发送，netem 就是一个特殊的 qdisc，它不排队，而是在包通过时"做手脚"——延迟、丢包、乱序都在这一刻注入。

先看看生产网卡默认长什么样。用只读命令查看主网卡（演示机为 ens5）的 qdisc 与累计统计：

tc -s qdisc show dev ens5

实测输出中，配置行是 qdisc fq_codel 0: root refcnt 2 limit 10240p flows 1024 ... target 5ms interval 100ms——现代 Linux 默认使用 fq_codel（公平队列 + CoDel 主动队列管理，用来对抗缓冲区膨胀），统计行显示这台机器经它发送了 5754309128 bytes 29685823 pkt，dropped 0。理解这一点对后面很重要：如果直接在 ens5 上加 netem，需要先删掉默认的 fq_codel root qdisc，生产网卡不建议这么干；而回环接口 lo 默认没有生效的排队规则（qdisc noqueue），在上面挂实验性的 netem 最安全。

netem 的模拟只作用于出口方向：包从本机发出时经过 qdisc 被"改造"。回环接口上因为收发都在本机，效果会被放大，这一点稍后实测时会看到。

基线：先量一下"零延迟"的回环

一切模拟都要有参照。先 ping 回环地址，测出本机没有任何额外延迟时的基准：

ping -c 4 127.0.0.1

实测 RTT 在 0.019 ~ 0.045 ms 之间，rtt min/avg/max/mdev = 0.019/0.035/0.045/0.009 ms。记住这个量级：回环本身接近零延迟，后面出现的任何大数字都来自 netem。

注入 100ms 延迟：一条命令让回环"变慢"

现在给 lo 挂上 netem，模拟单程 100ms 的网络延迟：

tc qdisc add dev lo root netem delay 100ms

没有任何输出即成功。用 tc qdisc show 确认它真的挂上了：

tc qdisc show dev lo

输出 qdisc netem 8001: root refcnt 2 limit 1000 delay 100ms——netem 已作为 lo 的 root qdisc 生效（8001: 是它的句柄，limit 1000 是内部模拟队列上限，refcnt 2 表示被引用中）。

再 ping 一次回环：

ping -c 4 127.0.0.1

实测四个包 RTT 全部是整整齐齐的 200ms（rtt avg = 200.117 ms，mdev 只有 0.017，稳如磐石）。为什么单程设置 100ms，实测却是 200ms？因为回环接口的包要"出门"一次、"进门"一次，往返各经过一次 qdisc，各吃 100ms。这恰好也是真实网络排查里的常见误区：delay 100ms 指单程延迟，RTT 是两倍——用 iperf3、curl 测出来的都是往返时间。

抖动：真实网络从来不均匀

真实公网的延迟不是恒定的：排队、拥塞会让每个包略有不同。netem 支持给延迟加一个随机偏差：

tc qdisc change dev lo root netem delay 100ms 20ms distribution normal

change 修改已有 qdisc 的参数：100ms 20ms 表示基准 100ms、偏差 ±20ms，distribution normal 让偏差服从正态分布（更贴近真实网络，默认的均匀分布偏差太极端）。再 ping 一组：

ping -c 6 127.0.0.1

实测 6 个包的 RTT 分别是 224、191、211、213、208、204 ms，统计 rtt min/avg/max/mdev = 191.284/208.643/224.413/9.961 ms——mdev（平均偏差）从恒定的 0.017 涨到了 9.961，这就是"抖动"的量化指标。测试播放器、音视频通话这类对延迟敏感的应用时，mdev 往往比平均延迟更致命。

丢包：20% 的丢包率意味着什么

丢包是公网（尤其是跨境链路）最恶劣的杀手，TCP 遇到丢包会触发拥塞控制、指数退避，UDP 则直接丢内容。模拟丢包同样一条命令：

tc qdisc change dev lo root netem delay 100ms loss 20%

设置保持 100ms 延迟，再叠加 20% 丢包。ping 12 个包观察：

ping -c 12 127.0.0.1

实测 12 个包只收到 7 个（seq 3、4、8、10、12 丢失），41.6667% 丢包率，幸存包的 RTT 仍是稳定的 200ms。注意 20% 的设置为什么实测出 41.7%：loss 20% 是单程丢包率，而 lo 上每个包往返两级联，只要任一方向被丢就收不到——整段丢包率应为 1-(1-20%)² = 36%，实测 41.7% 与其同量级（12 个包的小样本存在随机波动，丢 5 个在正常范围内）。这也提醒：在真实网络里测试丢包敏感度时，链路两端的丢包是叠加的，模拟时按需调整。

顺带一提，ping 的 time 11115ms 也变长了——每个丢包都要等满 1 秒超时才计入统计，这本身就是"丢包让交互变慢"的直观写照。

清理：让回环恢复原状

实验结束，删掉 lo 上的 netem qdisc：

tc qdisc del dev lo root
tc qdisc show dev lo
ping -c 3 127.0.0.1

实测删除后 tc qdisc show dev lo 输出 qdisc noqueue 0: root refcnt 2——回到初始状态；ping 恢复为 0.024 ~ 0.037 ms（avg 0.032 ms）。tc qdisc del dev lo root 是保底清理手段，重启机器也会自动清空所有 netem 配置。

进阶玩法与真实使用姿势

netem 还能同时注入多种损伤，并叠加带宽限制，一条命令全搞定：

# 乱序与重复（不执行，示例）：5% 乱序 + 2% 重复
tc qdisc add dev lo root netem reorder 5% duplicate 2%
# 带宽限制 + 延迟（不执行，示例）：限制 1Mbps 同时 50ms 延迟
tc qdisc add dev lo root handle 1: tbf rate 1mbit burst 32kbit latency 400ms
tc qdisc add dev lo parent 1:1 netem delay 50ms

在真实网卡上做模拟时注意三点：一是看清当前 root qdisc（生产网卡一般是 fq_codel），直接 add 会因已存在而报错，需要先 del 再 add，期间网卡短暂失去队列管理；二是 netem 只影响出方向，想模拟"远端上行差"就把 netem 挂在远端那台机器上；三是模拟完务必删除。更稳妥的日常姿势是把这类实验放在回环接口或网络命名空间（ip netns + veth）里，与生产流量彻底隔离。

实践中最常用的组合是压测前的"环境降级"：在测试服务器上用 netem 注入接近生产的延迟与丢包后，再跑 HTTP 压测：从 ApacheBench 到 wrk 或 iperf3 测吞吐，得到的数据才接近真实公网表现。

小结

netem 的全部玩法浓缩成四条命令：add 挂载、show 查看、change 调参、del 拆除；参数上 delay 100ms 模拟延迟、20ms distribution normal 加抖动、loss 20% 丢包、duplicate/reorder 处理其他损伤。做实验只动回环接口，记住"单程 vs 往返"和"单程丢包 vs 链路总丢包"两个换算关系，就能在本地把全球网络的各种恶劣工况搬进测试环境。更完整的参数说明见 tc-netem 手册页 与 内核文档 Network Emulator。