Qos

Quality of Service，在帶寬有限的情況下應用一個”有保證”的策略對流量進行管理，並實現不同的流量獲得不同的優先服務。

基本職能：

• 分類和標識
• 擁塞管理
• 限速（監管、整形）
• 鏈路效率

22.1 基本概念

基本參數：

• 帶寬（bandwidth）

  木桶理論：最大帶寬等於數據傳輸路徑上的最小帶寬。

• 時延（delay）

  端到端傳輸所用的時間，等於所有傳輸時延、處理時延、串行化時延與隊列時延之和。

  隊列時延指駐留在出方向隊列的時間。

  隊列又分為軟件隊列和硬件隊列（FIFO，先進先出）

• 抖動（jitter）

  時延不平穩，不平均

• 丟包（drop）

  任何情況下都有可能丟包

Qos的解決方案：

• 如何增加可用帶寬和降低時延

  • 優先傳輸重要的報文
  • 壓縮幀
  • 壓縮報頭
  • 隊列

• 如何防止丟包

  • 對丟包敏感的數據流提供足夠的帶寬（例如語音流量），采取隊列機制
  • 在擁塞發生之前提前丟棄一些不重要的數據包

22.2 服務模型

• 盡力而為模型

  默認的，沒有Qos保證

• 綜合/集成服務模型

  在發送報文之前需要向網絡申請特定的服務，和RSVP（資源預留協議）聯用。

  很強，但實現復雜，應用率不高，且基於軟件，本身沒有Qos保證

• 區別/差分服務模型

  通過報頭的Qos信息將網絡中的流量分成多個類，然后為每個類定義相應的行為。

  目前應用最廣的模型。

22.3 區別/差分服務模型

• DS節點：實現DS功能的節點，只需根據DSCP進行轉發。

  ​ DSCP：DiffServ Code Point，區分服務代碼點。

  ​ 3層IPv4頭部有個Tos，其中前3位的IP優先級位，最高優先級是7，

  ​ 前6位稱為DSCP：

​ D位表示延遲（0代表正常延遲，1表示低延遲）

​ T位表示吞吐量（0表示正常吞吐量，1表示高吞吐量）

​ R位表示可靠性（0代表正常可靠性，1代表高可靠性）

​ C表示傳輸開銷（0表示正常開銷，1表示低開銷）

​ 一般C和最后一位一般不使用保留給網絡控制信息

• DS邊界節點：對業務流進行分類和標記的路由器，與沒有DS功能的域直接相連

• DS域：由采用相同策略和PHB的相同節點組成

  ​ PHB（每一條行為），目前定義了4種分類：

  ​ Default PHB：默認行為，DSCP為000000

  ​ Class-Selector PHB：CS類選擇行為，兼容IP優先級，DSCP的后三位為000

  ​ Expedited Forwarding PHB：EF快速轉發，DSCP為101110 ，優先轉發，超出管制流量的則丟棄

  ​ Assured Forwarding PHB：AF保證轉發，DSCP格式為aaadd0，DD越大，丟棄的可能性越高

  ​ 這只是分類，設備具體如何處理，要看后續的策略

22.4 流量監管

流量監管就是對流量進行控制。要實現流量的控制，就要有一種機制可以對設備的流量進行度量

22.4.1 令牌桶技術

系統按照設定好的速度向桶中放置令牌，令牌滿了則溢出，不再增加。桶中令牌的數量作為轉發報文的依據。

現在有兩種常用標記算法：

• 單速率三色標記（單速雙桶算法）算法，主要關注報文尺寸的突發。
• 雙速率三色標記（雙速雙桶算法）算法，主要關注報文速率的突發。

兩種算法都是為報文打上紅、黃、綠三種顏色的標記，Qos根據顏色進行處理。

分為兩種模式，色盲模式和色敏模式，接下來以色盲模式為例。

單速雙筒

• CIR：承諾信息速率，表示向C桶中投放令牌的速率，即C桶允許傳輸或轉發報文的平均速率
• CBS：承諾突發尺寸，表示C桶的容量，即C桶瞬間能夠通過的承諾突發流量
• EBS：超額突發尺寸，表示E桶的容量，即E桶瞬間能夠通過的超出突發流量，

用B表示到達報文的大小：

• 若B≤Tc，報文被標記為綠色，且Tc減少B；
• 若Tc<B≤Te，報文被標記為黃色，且Te減少B；
• 若Tc<B並且Te<B，報文被標記為紅色，且Tc和Te都不減少。

雙速雙桶

• PIR：峰值信息速率，表示向P桶中投放令牌的速率，即P桶允許傳輸或轉發報文的峰值速率，PIR大於CIR；
• CIR：承諾信息速率，表示向C桶中投放令牌的速率，即C桶允許傳輸或轉發報文的平均速率；
• PBS（Peak Burst Size）：峰值突發尺寸，表示P桶的容量，即P桶瞬間能夠通過的峰值突發流量；
• CBS：承諾突發尺寸，表示C桶的容量，即C桶瞬間能夠通過的承諾突發流量。

用B表示到達報文的大小：

• 若B>Tp，報文被標記為紅色；
• 若Tc<B≤Tp，報文被標記為黃色，且Tp減少B；
• 若B≤Tp並且B≤Tc，報文被標記為綠色，且Tp和Tc都減少B。

色敏模式

色敏模式下，如果到達報文已被標記顏色，則遵循以下原則：

• 被標記為綠色，與色盲模式一致。
• 已被標記為黃色，則令牌桶根據報文長度和令牌數的大小，為符合流量規定的報文標記為黃色，為不符合的報文標記為紅色。
• 被標記為紅色，則令牌桶直接將到達報文標記為紅色。

22.4.2 流量監管原理

• Meter：通過令牌桶機制對網絡流量進行度量，向Marker輸出度量結果。

• Marker：根據Meter的度量結果對報文進行染色，將報文染成green、yellow、red三種顏色。

• Action：根據染色結果對報文進行動作，動作包括：

  • pass：對測量結果為“符合”的報文繼續轉發。
  • remark + pass：修改報文內部優先級后再轉發。
  • discard：對測量結果為“不符合”的報文進行丟棄。

  默認情況下，green報文、yellow報文進行轉發，red報文丟棄。

22.5 流量整形

流量整形是一種主動調整流量輸出速率來限制流量與突發的措施，使報文以均勻的速率發送。

通常使用緩沖區和令牌桶來完成，當報文的發送速度過快時，首先在緩沖區進行緩存，在令牌桶的控制下，再均勻地發送被緩沖的報文。

當下游接口速率不確定時，上游設備無法確定整形參數，這時可以開啟NQA檢測，進行自適應流量整形。

22.6 擁塞避免

通過監視網絡資源的使用情況，在發生擁塞或有產生趨勢時主動丟棄報文。

根據情況可分為

• 尾部丟棄：隊列滿了則丟棄

• WRED（加權隨機先期檢測）：基於參數進行丟棄，可以為不同業務的報文指定不同的丟棄策略

  WRED會為每個隊列的長度設置閾值范圍，

  • 隊列長度小於閾值下限時不丟棄報文，

  • 上下限之間會為每個報文賦予一個隨機數，並將此數與當前隊列的丟棄概率比較，如果大於則丟棄。隊列越長，報文被丟棄的概率越高。

  • 隊列長度大於閾值上限時丟棄所有新到的報文

22.7 擁塞管理

擁塞管理一般會采用隊列技術，使用不同的調度算法。

設備上每個接口出方向都有4或8個隊列，根據優先級和隊列間的映射關系自動將分類后的報文流送各隊列。

常見調度算法：

• PQ

  針對於關鍵業務類型應用設計，維護一個優先級遞減的隊列，只有高優先級的隊列為空時才服務低優先級隊列，可以使低延時業務及時調度。

  缺點：使低優先級隊列中的報文得不到調度機會

• WRR

  加權循環調度算法，在隊列之間進行輪流調度，根據每個隊列的權重來調度各隊列中的報文流。

  設備根據每個隊列的權值進行輪循調度。調度一輪權值減一，權值減到零的隊列不參加調度，當所有隊列的權限減到0時，開始下一輪的調度。

  缺點：只關心報文，同等調度機會下大報文獲得的實際帶寬要大於小報文獲得的帶寬，低延時需求業務得不到及時調度。

  LAN口默認使用WRR。

• DRR

  在調度過程中考慮包長的因素以達到調度的速率公平性。

  缺點：解決了WRR的報文問題，但低延時需求業務依然得不到及時調度。

• WFQ

  公平隊列調度算法，盡量公平地分享網絡資源，使所有流地延遲和抖動達到最優。

  在報文入列之前對流量進行分類，有兩種分類方式：

  • 按報頭中地信息分類：優先級越高，所得帶寬越多
  • 按優先級分類：通過優先級映射把流量標記為本地優先級，每個本地優先級對應一個隊列號。每個接口預分配4或8個隊列，報文根據隊列號進入隊列。默認情況，隊列的WFQ權重相同，流量平均分配接口帶寬。用戶可配置權重。

  缺點：低延時需求業務得不到優先調度。

  WAN口默認使用WFQ。

• PQ+WRR

• PQ+DRR

• PQ+WFQ

• CBQ算法

  基於類的加權公共隊列，是對WFQ的擴展。

  根據IP優先級或DSCP優先級、入接口、IP報文的五元組等規則來對報文進行分類，讓不同類別的報文進入不同的隊列。對於不匹配任何類別的報文，送入缺省類。

  • EF：高優先級隊列，優先調用，可以對應多類報文，不同類別的報文可設定占用不同的帶寬，滿足低時延需求。其中還有一種時延更低的隊列-LLQ隊列。
  • AF：每個隊列對應一類報文，用戶可設置每類報文占用的帶寬，滿足需要關鍵數據業務。
  • BE：一般是系統缺省類配置成BE隊列，會尾部丟棄。