在无线路由器的设置页面上，我们可能会看到一个名为「智能队列」的功能（根据品牌或操作系统的不同，也可能会被称做「智能 QoS」、「SQM」等）。

这一功能是如何工作的？是否能让网速变快？是否需要打开？本文将尝试解答这些问题。

从「网络如何连接」说起

本章节主要介绍计算机网络的基础知识。如果读者已经熟悉相关知识，可跳过这部分内容。

在介绍「智能队列」之前，先来了解一下基础的网络知识。

两台电脑间进行数据传输，存在两种方式，分别是电路交换和分组交换。

对于电路交换，两台电脑独占一条线路进行数据传输。过去的固定电话，大多使用的就是电路交换。

由于独占一条线路，两台设备之间的通信较为稳定，很难出现数据丢失、数据传输顺序错乱等情况。但一条线路只能供一组电脑使用，另外一组电脑想要通信，就不能复用原来的线路了。

对于分组交换，传输的数据被拆分为小段，每一小段叫做一个数据包（报文）。数据以报文的形式进行转发，从而实现了多组电脑复用一条线路进行通信。

分组交换示意图

电路交换虽然能保证数据传输的稳定性，但由于独占线路浪费太多资源，所以在 Internet 中，使用的是分组交换。

分组交换将数据拆分成一个一个的小片段来转发，没有独占线路。如果网络条件不好（例如同时有大量报文经过路由器，超出了路由器的处理能力），很有可能遇到数据顺序错乱、甚至数据丢失等情况。那么，这些情况应该如何避免？

  • 在微信视频通话、电视直播等应用中，报文的丢失或乱序，只会造成视频图像卡顿，不会造成太严重的影响。所以这些应用会使用简单的 UDP 协议，不考虑丢包、乱序。
  • 在网页浏览、文件下载等应用中，一般使用基于 TCP 的 HTTP 协议。TCP 在报文中携带序号，避免乱序；同时提供了报文的丢失重传机制，避免了丢包。所以，也可以认为 TCP 为两台电脑的应用程序建立了一个虚拟的「连接」。（最新版本的 HTTP/3 协议，使用的则是 QUIC。QUIC 虽然基于 UDP，但引入了与 TCP 类似的报文丢失重传机制）

如果想要了解更多网络基础知识，推荐阅读「入网指南」系列文章：

网络延迟：影响上网体验的重要因素

带宽和延迟，是影响上网体验的两大因素。

带宽指的是在单位时间内，网络最多能传输多少数据。

网络的带宽和水管的粗细有着很多相似之处，水管越粗，相同时间流出的水越多；同样地，网络带宽越大，相同时间能够传输的数据越多。

在日常上网过程中，大的带宽能带来这些好处：

  • 上传、下载文件的速度更快
  • 在线看视频时，缓冲的时间更短
  • 如果家中有多个人同时上网，大的带宽能够保证每个人都能流畅上网，相互的影响更小

对于家庭宽带，我们常常听到的 10 兆、50 兆、100 兆、千兆，就是指的带宽的大小。

带宽 示意图

延迟指的是数据从网络的一端到达另一端，所需要的时间。

过大的延迟也会对上网体验带来不好的影响，例如：

  • 在浏览器中输入网址敲回车后，需要等更长的时间，网页才能加载
  • 视频聊天、语音通话质量变差，甚至能直接感受到声音、画面的滞后
  • 玩在线游戏时，发现游戏变慢

在很多时候，延迟相比带宽更容易被人感知，对网络体验的影响更大。

是什么导致了网络延迟？

上文中介绍过，Internet 使用的是分组交换。如果大家阅读过计算机网络相关的书籍，应该对分组交换的「存储-转发」机制有一定的印象。

简单说，「存储-转发」是指网络设备将收到的报文存储在缓冲区，然后再发送。

这是由于网络设备的性能有限，转发报文有速率限制。如果设备短时间内收到大量报文，一时半会儿处理不过来，就可以先报文存起来，空闲时慢慢发送。通过「存储-转发」，能够提高网络设备的吞吐量，更充分地利用带宽。

其中，存储报文缓冲区，是一个先进先出的队列。那么，队列的长度应该如何确定？是不是队列越长，能够存储的报文越多，网络的性能就越好？大家可以先思考下这个问题。

其实在过去，内存价格比较昂贵，考虑到成本，网络设备的队列不会太大。现在，随着内存价格的下降，网络设备拥有了更大的队列。

但是，网络的带宽是有限的。实际的可用带宽，取决于数据传输路径上的最小带宽。这个最小带宽也被称做带宽上的「瓶颈」（bottleneck）。

bottleneck 示意图

由于瓶颈的存在，如果流量长时间以较大速率发送，大的队列并不能显著提升吞吐量。相反，大量报文滞留在队列中，会带来延迟的增大。

这种队列中缓存有大量报文，来不及发送，导致数据传输延迟增大的现象，被称做 bufferbloat（缓冲区膨胀）。

bufferbloat 示意图

DSLReport 提供的测速服务，能够检测网络的 bufferbloat 程度。不过由于没有中国大陆服务器，测试结果不够准确。国外的读者可以尝试一下：

Flent 是一个本地的网络测试工具，也可以用于测试 bufferbloat：

家用无线路由器中的 QoS 功能

在「智能队列」出现之前，很多家用路由器已经提供了 QoS 功能。那么，传统的 QoS 如何解决网络延迟、网络拥堵？存在哪些不足之处？

在了解这个问题之前，先来熟悉一下网络中的报文，是什么样子的：

在网络中传输的报文，一般包括了链路层、网络层、传输层、应用层这四层信息。其中，网络层的源 IP 地址、目的 IP 地址、协议号，和传输层的源端口号、目的端口号，是 QoS 算法中常常会关注的五个信息。这些信息合称「五元组」。

同一个应用在同一时间段内，传输的报文中，这些信息一般是不会发生变化的。例如观看在线视频时，同一个视频的所有报文 ，一般拥有相同的五元组信息。所以，通过五元组，我们能够区分不同应用的流量。

五元组 示意图

特别地，一些常见的应用，会使用固定的端口号。例如网页浏览一般使用 80、443 端口；英雄联盟游戏，使用的是 5000-5500 端口……

所以，当我们想要提升英雄联盟游戏的体验时，在路由器上设置让 5000-5500 端口的报文优先通过即可：


家用路由器中常见的 QoS 功能，就是通过手动设置 IP 地址、协议号、端口号等报文特征来实现的。这种方式需要用户了解一定的网络知识，且操作复杂。（虽然部分无线路由器内置了常用应用的 QoS 规则，但仍需要一定的手动设置，且无法及时适配新的、小众的应用）

当然，除了上文中介绍的内容，QoS 还有多种不同的实现方式。例如：

  • 对特定应用（例如 BitTorrent）进行限速
  • 按照 MAC 地址指定某台设备的优先级（例如提高 Nintendo Switch 的优先级，使游戏更加流畅）
  • 通过 WMM、DSCP 等机制来决定报文优先级

这些机制各有各的特色和不足。例如对应用程序限速的方式，虽然效果明显，但无法在网络空闲时，动态利用剩余带宽来提升传输速度，也难以适应带宽频繁变化的无线网络。关于上述 QoS 机制的技术细节，本文不再详细介绍。如果感兴趣，可以搜索相关关键词，进一步了解。

智能队列：通过「全自动」的方式优化网络、降低延迟

什么是「智能队列」

目前，一部分新的无线路由器，开始有了名为「智能队列」的功能。这一功能一般指的是 fq_codel。

fq_codel 包含两种队列管理机制，分别是 Flow Queue 和 CoDel。在下文中，我将简要介绍这两种机制的作用。

Flow Queue

前文中介绍过，网络中的报文一般都有自己的五元组信息；同一应用发送的报文，在一定的时间段内，五元组信息是相同的。这些信息相同的一系列报文，被称做一条流（flow）。

Flow Queue 为每条流单独维护一个队列。例如，如果我们一边在线观看视频，一边进行语音通话，一边玩游戏，Flow Queue 就会为视频播放的流量、语音通话的流量、在线游戏的流量各维护一条队列：

Flow Queue 示意图

正常情况下，在线观看视频需要占用较大的带宽，但对延迟不敏感，用户可以容忍几秒甚至几十秒的缓冲时间。

而语音通话和在线游戏占用带宽小，但对延迟敏感。例如语音通话时，如果一个人说了一句话，对方在几秒后才能听到，用户就能明显感知到延迟。

如果三种应用共用一个队列，队列中会充满大量视频播放应用的报文，导致语音通话、在线游戏的报文迟迟无法发送，增大了这两种应用的延迟。

Flow Queue 为视频播放、语音通话、在线游戏各维护一条队列，并公平地调度三个队列，避免视频播放的报文占用太多时间，从而让在线游戏、语音通话的报文得到及时处理。由于 Flow Queue 确保了应用程序之间的「公平」（fair），所以又被称做 Fair Queue。

CoDel

我们已经知道，适当长度的队列，能够充分利用带宽、提高吞吐量。但过长的队列，又会导致过大的延迟。也就是说，队列既不能过长、也不能过短。

CoDel 所做的，就是让队列维持在合适长度，最大限度地提升网络性能。

CoDel 通过计算报文在队列中的停留时间，来判断队列是否过长。具体做法如下：

  1. 报文进入队列时，在报文上记录当前时间（也就是报文入队时间）
  2. 报文出队列时，再次获取当前时间（报文出队时间）
  3. 计算报文入队时间与出队时间的差值，即可得到报文在队列中停留的时间
  4. 当报文在队列中的停留时间超过阈值，说明队列过长，需要缩小队列长度

当队列过长时，CoDel 会直接丢弃出队列的报文，从而减少队列中报文的数量，达到控制队列长度的效果。（这种对报文的丢弃，并不会对网络带来负面影响，具体请见后续章节）

CoDel 示意图

可以看出，CoDel 根据队列中报文的停留时间，来决定是否丢弃报文。而不是「一刀切」地将队列限制在一个固定的、较小的长度。这样既能降低延迟，又保留了队列最大的优点：吸收短暂的大流量报文、提升吞吐量。

另外，我们的设备，尤其是手机等移动设备，所处的网络环境是复杂多变的。例如手机靠近或远离无线路由器，就有可能导致网络带宽的变化。CoDel 通过计算报文停留时间的方式控制队列，能够更加灵活地适应网络带宽、网络质量的变化。

fq_codel

Flow Queue 确保了不同应用程序的流量能够公平传输。CoDel 控制队列长度，实现了整体延迟的降低。fq_codel 就是将 Flow Queue 和 CoDel 结合在一起使用的机制。

其中，Flow Queue 先将不同的流划分为不同的队列，再为每一个队列使用 CoDel，控制报文的延迟。两者结合使用，共同提升网络体验。

fq_codel 具有免配置、天然适应不同的网络环境、实现简单、消耗资源少等特色，越来越多的无线路由器（以及开源的路由器操作系统），开始内置这一机制。

参考 KoolShare 上的这篇帖子，作者经过测试，发现打开 fq_codel 之后，在 BT 下载占满上行带宽时，在线游戏依旧保持较低的延迟：

是否需要打开「智能队列」？

前面介绍了 fq_codel 的一系列优点。那么，fq_codel 有没有缺点？是否需要我们打开？

我的设备 CPU 性能不强，是否可以打开「智能队列」？

根据这篇帖子，ER-X 路由器在打开 fq_codel 时，最大支持 200M 左右的带宽。

ER-X 使用的是 MT7621 CPU。从这个页面可以看到，我们熟悉的小米路由器 Pro、斐讯 K2P 等，都采用了这一系列的 CPU。也就是说，如果宽带带宽小于 200M，使用这些路由器，「智能队列」对网速基本不会有太大影响。

当然，在家用路由器上，不同人有着不同的方案：从百元以下、到千元以上的无线路由器，都有不少人在使用；还有一些人使用有线路由器、软路由，甚至企业级网络设备。

不同的设备，在 CPU 性能上存在很大的差异。还有一些设备，虽然 CPU 性能较弱，但使用了专门的硬件来处理报文。对于 CPU 性能不足的设备，一旦打开了「智能队列」，CPU 就需要参与更多的运算来处理报文，影响报文转发速度。

虽说 fq_codel 是一个简单的算法，占用 CPU 资源相对较少。但考虑到家用网络设备的多样性，还是需要经过实测，才能决定是否要打开该功能。

我家的宽带速度较快（100M 以上），是否还有必要开启「智能队列」？

很多人已经用上了 200M、500M 甚至 1000M 的宽带。而大部分应用跑不满这么大的带宽，即使家里的多个人一起用宽带，也很难把带宽占满。对于这样的宽带，是否有必要开启「智能队列」呢？

大部分家庭宽带，上传和下载带宽是不对等的。例如一个 200M 的宽带，上传带宽可能只有 20M。而很多协议需要客户端和服务端的双向交互（例如 TCP，接收端要向发送端发送确认报文），如果上传速度受到限制，也会影响到下载速度。

所以对于下载带宽大，但上传带宽小的环境，使用「智能队列」也有利于提升上网体验。

但是，流量速率越快，fq_codel 处理报文消耗的 CPU 资源也就越多。如果带宽较大，CPU 可能处理不过来大速率的报文。所以，最终还是要综合考虑宽带带宽，和网络设备的 CPU 性能，来决定是否要打开「智能队列」。

「智能队列」会主动丢弃报文，会不会对网络造成负面影响？

fq_codel 控制队列长度，是通过主动丢弃报文来实现的。或许读者们会有疑问，主动丢包是否会对网络有负面影响？是否会导致传输数据的缺失？

其实，Internet 被设计成分组交换的方式，丢包是很常见的现象。对于视频通话等使用的 UDP 协议的应用，少量丢包不会有太大的影响；对于网页浏览等应用使用的 TCP 协议，其本身的重传机制，也能确保数据全部正确传输。

另外，TCP 协议还拥有拥塞控制机制，能够自动调整数据发送速率。大部分拥塞控制算法在检测到丢包时，能够自动降低发送速率。所以，fq_codel 的丢包，还可以反馈到 TCP，让 TCP 协议主动降低数据发送速率，进一步缓解 bufferbloat。

总之，fq_codel 的丢包并不会对网络带来太多负面影响。

结论

在网络设备的 CPU 性能足够的情况下，打开「智能队列」，能够在一定程度上提升上网体验。推荐有条件的用户打开该功能。

但是，如果家庭网络环境特殊，例如路由器性能差、上下行带宽都非常充足等情况，fq_codel 的作用就没有那么大了。如果不确定是否需要打开，还是建议亲自测试一下，观察该功能对上网体验的影响。

参考资料与延伸阅读

在常用的无线路由器操作系统上设置 fq_codel:

CAKE 是一种新的队列管理机制。它吸收了 fq_codel 的优点，并在 fq_codel 的基础上增加了更多新特性。如果自己的路由器支持 CAKE，建议直接用 CAKE 代替 fq_codel:

如何进一步优化家庭网络、降低网络延迟：

fq_codel 基础知识：

关于 Bufferbloat 的更多介绍：

本文介绍了 Linux 网络协议栈中的「队列」。通过阅读本文，可以更清晰地了解报文在网络设备内部是如何处理的：

传统的 TCP 拥塞控制算法倾向于填满队列，可能会加剧 bufferbloat。所以除了 fq_codel，还可以通过优化 TCP 拥塞控制算法，来缓解 bufferbloat。最近几年流行的 TCP BBR，就是一种新的拥塞控制算法：

本文中的图片素材来自 www.flaticon.com，作者分别是 Freepik、srip、surang、xnimrodx、Vitaly Gorbachev、photo3idea_studio。题图来自 Unsplash，作者是 Jonathan。

笔者对 fq_codel 的了解还不够深入。如果发现文章中有错误，请在评论区留言指正。

对于家庭网络的更多内容，可关注我在 GitHub 上创建的 Awesome List。欢迎提交 issue 和 pull request：

本文首发于少数派，原文链接：https://sspai.com/post/64870。

最后修改日期: 2022-07-09

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