QoS基本原理
- QoS技术概述
- 1. 什么是QoS
- （1）传统网络——“尽力而为”、没有服务质量保证
- （2）QoS（服务质量）：
- 2. QoS服务模型
- （1）Best-Effort-Service：尽力而为服务模型（缺省，适用绝大多数网络应用）
- （2）Integrated service：综合服务模型，简称Intserv
- （3）Differentiated service：区分服务模型，简称DiffServ（多服务模型，目前被广泛使用）
- QoS流分类和流标记
- 1. 概述
- （1）依据一定的匹配规则识别出对象，是有区别地实施服务的前提，通常作用在接口入方向
- （2） 将数据包分为不同的类别，称为流分类，流分类并不修改原来的数据包
- （3）将数据包设置为不同的优先级称为标记，而标记会修改原来的数据包
- （4）标记分类：
- 2. 简单流分类
- （1）简单流分类是指采用简单的规则，对报文进行粗略的分类，以识别出具有不同优先级或服务等级特征的流量，实现外部优先级和内部优先级的映射
- （2）外部优先级
- （3）服务等级（即队列）——内部优先级
- （4）Color——丢弃优先级
- （5）映射
- 3. 复杂流分类
- （1）复杂流分类是指采用复杂的规则，对报文进行精细的分类，一般在DS边界入方向部署
- （2）模板化的QoS：配置流分类、配置流行为、配置流量策略、应用流量策略
- （3）流量分类全过程
- （4）配置复杂流分类（命令略）
- 流量限速技术
- 1. 流量限速
- （1）QoS数据处理流程
- （2）流量限速技术：令牌桶技术
- 2. 令牌桶
- （1）单桶单速双色（绿、红）标记法（C桶）
- （2）双桶单速三色标记法（C、E桶）
- （3）双桶双速三色标记法
- 3. 流量监管TP（Traffic Policing）
- （1）什么是流量监管
- （2）承诺访问速率（CAR）
- （3）使用场景
- （4）配置命令（略）
- 4. 流量整形
- （2）流量整形的实现
- （3）使用场景
- （4）配置命令（略）
- 拥塞避免技术
- 1. 概述
- （1）拥塞避免：
- （2）拥塞经常发生的情况：
- （3）拥塞的影响：
- （4）对策：
- 2. 拥塞避免技术——丢弃策略：尾丢弃、RED、WRED
- （1）尾丢弃（Tail Drop）——传统处理方式
- （2）随机检测（RED，Random Early Detection）——随机地丢弃数据报文
- （3）加权随机嫌弃检测（WRED，Weighted Random Early Detection）——通过对不同优先级数据包或队列设置相应的丢弃策略，以实现对不同流量进行区分丢弃。
- 3. 拥塞避免的应用：接口出方向
- 4. 配置命令（略）
- 拥塞管理技术
- 1. 概述
- 2. 什么是队列
- 3. 队列调度算法
- 4. 端口队列调度方式
- 5. 拥塞管理的应用：接口出方向
- 6. 配置命令（略）
- HQoS介绍
- 1. 概述
- 2. HQoS队列
- （1）Level3流队列
- （2）Level2用户队列
- （3）Level1接口队列
- 3. HQoS队列调度
- 4. HQoS流量整形
- 5. HQoS丢弃器
- 6. HQoS应用
- 7. HQoS配置思路
QoS技术概述
1. 什么是QoS
（1）传统网络——“尽力而为”、没有服务质量保证
新应用不断出现、客户要求越来越高、网络提供有质量保证的服务是大势所趋
（2）QoS（服务质量）：
针对各种应用的不同需求，为其提供不同的服务质量
影响QoS的因素：带宽、时延、抖动、丢包率、可用性
2. QoS服务模型
（1）Best-Effort-Service：尽力而为服务模型（缺省，适用绝大多数网络应用）
无区别对待、先入先出
网络尽最大的可能性来发送报文
缺点：对时延、可靠性等性能不提供任何保证
（2）Integrated service：综合服务模型，简称Intserv
应用程序在发送报文前，需要向未来申请特定的服务
网络在收到应用程序的资源请求后，通过交换RSVP信令信息，为每个信息预留资源
缺点：实现复杂、资源浪费、要求端到端所有节点设备都支持并运行RSVP协议
（3）Differentiated service：区分服务模型，简称DiffServ（多服务模型，目前被广泛使用）
将网络中的流量分成多个类，不同的类采用不同的处理
常用技术：流量限速、拥塞避免、拥塞管理
处理流程：流量分类和标记、流量监管、拥塞避免、拥塞管理、流量整形
QoS流分类和流标记
1. 概述
（1）依据一定的匹配规则识别出对象，是有区别地实施服务的前提，通常作用在接口入方向
（2） 将数据包分为不同的类别，称为流分类，流分类并不修改原来的数据包
（3）将数据包设置为不同的优先级称为标记，而标记会修改原来的数据包
（4）标记分类：
内部标记：标记报文在设备内部处理的服务等级（Service-class）与丢弃优先级，让匹配的报文能够直接进入指定服务等级的队列
丢弃优先级也叫着色（color），指在相同服务等级的时候，入同一个队列，当此队列快拥塞的时候，可以通过color在进行差分服务
外部标记：设置/改写（重标记-remark）报文的优先级字段，用于向下一台设备传递差分服务的QoS信息
2. 简单流分类
（1）简单流分类是指采用简单的规则，对报文进行粗略的分类，以识别出具有不同优先级或服务等级特征的流量，实现外部优先级和内部优先级的映射
（2）外部优先级
VLAN报文：802.1P——VLAN TAG中优先级PRI为外部优先级，取值范围0-7
MPLS报文：EXP——标签信息中的EXP域作为外部优先级，取值范围0-7
IP报文：ToS字段（IPP/DSCP）
IP-Precedence：取值范围0-7
DSCP：取值范围0-63（对IPP的扩充）
（3）服务等级（即队列）——内部优先级
取值：CS7、CS6、 EF、AF4、AF3、AF2、AF1、BE（PQ调度优先级由高到低）
调度算法：PQ（严格优先级调度模式）、WFQ（加权公平调度模式）
优先级：BE配置为PQ调度，其它7种配置WFQ调度，BE优先级比其余7个都高
都配WFQ调度，无优先级高低之分
（4）Color——丢弃优先级
取值：Green（绿）、Yellow（黄）、Red（红） //低 --->高
优先级高低取决于对应参数的配置
（5）映射
将QoS优先级映射到服务等级和颜色是在报文上行方向进行
服务等级和颜色映射为QoS优先级则是在下行方向进行
3. 复杂流分类
（1）复杂流分类是指采用复杂的规则，对报文进行精细的分类，一般在DS边界入方向部署
（2）模板化的QoS：配置流分类、配置流行为、配置流量策略、应用流量策略
需要用到Traffice Policy工具
（3）流量分类全过程
（4）配置复杂流分类（命令略）
流量限速技术
1. 流量限速
（1）QoS数据处理流程
流量监管：对进入设备的流量进行监控，确保其没有滥用网络资源
流量整形：对输出报文的速率进行控制，使报文以均匀的速率发送出去
作用：
在网络边缘，监控网络流量
对于进出的不同流量规定带宽占用比例，让不同的业务由不同的流量边界
（2）流量限速技术：令牌桶技术
令牌桶：使用令牌桶对流量进行评估，是否满足报文转发的条件
2. 令牌桶
（1）单桶单速双色（绿、红）标记法（C桶）
CIR：承诺信息速率，单位是kbps，表示向令牌桶中投放令牌的速率
CBS：承诺突发尺寸，单位是byte，用来定义在部分流量超过CIR之前的最大突发流量，即令牌桶的容量
不允许突发流量，只有承诺流量
令牌初始数量Tc=CBS
到达的数据大小B<Tc，Tc=Tc-B，标记为绿色，转发；B>=Tc，Tc不变，标记为红色，丢弃
（2）双桶单速三色标记法（C、E桶）
EBS：峰值突发尺寸，单位byte，用来定义每次突发所允许的最大的流量尺寸
允许短暂的突发流量
规则：
令牌初始数量：C桶：Tc=CBS、E桶：Te=EBS
到达的数据大小B<Tc，Tc=Tc-B，标记为绿色，转发；
Tc<B<Te，Te=Te-B，标记为黄色，转发
B>Te>Tc，Tc、Te不变，标记为红色，丢弃
（3）双桶双速三色标记法
PIR：峰值信息速率，单位为kbps，表示端口允许的突发流量的最大速率，大于CIR
PBS：峰值突发尺寸，单位为byte，用来定义每次突发所允许的最大的流量尺寸，大于CBS
允许长期的突发流量
规则：
令牌初始数量：C桶：Tc=CBS、P桶：Tp=PBS
到达的数据大小B>Tp，标记为红色，Tc和Tp保持不变
Tc<B<Tp，标记为黄色，Tp=Tp-B
B<Tc，标记为绿色，Tp=Tp-B，Tc=Tc-B
3. 流量监管TP（Traffic Policing）
（1）什么是流量监管
通过监控进入网络的某一流量的规格，限制它在一个允许的范围之内，
若某个连接的报文流量过大，就丢弃报文，或重新设置该报文的优先级，以保护网络资源不受损害
流量监管可配置在设备的接口进出方向
流量监管的实现：采用承诺访问速率CAR来对流量进行控制
流量监管的特点：
丢弃超额流量或将超额流量重标记为低优先级量
不需要额外的内存资源，不会带来延迟和抖动
丢包可能引发重传
可以重标记流
（2）承诺访问速率（CAR）
CAR利用令牌桶来衡量每个数据报文是超过还是遵守所规定的报文速率
CAR主要有两个功能：流量速率限制、流分类
CAR处理流程：
当报文到来时，首先检查端口的匹配规则，如果匹配上了，则进行速率控制，报文进入令牌桶中进行流量速率评估
令牌桶评估后，报文被标记为红、黄、绿三种颜色
报文标为红色的直接丢弃，黄色则重新标记后转发，绿色则直接转发
可使用令牌桶类型：单桶单速、双桶单速、双桶双速
（3）使用场景
基于接口的流量监管：指对进入该接口的所有流量进行控制，而不区分具体报文的类型
基于类的流量监管：指对进入该接口的满足特定条件的某一类或几类报文进行流量控制，而非所有报文
（4）配置命令（略）
4. 流量整形
（1）什么是流量整形
流量整形TS：是一种主动调整流量输出速率的措施，通过在上游设备的接口出方向配置流量整形，
将上游不规整的流量进行削峰填谷，输出一条比较平整的流量，从而解决下游设备的瞬时拥塞问题
实现：通常使用缓冲区和令牌桶来完成
令牌桶类型：单速单桶
评估结果：符合（Green）、超标（Red）
特点：
缓存超出策略/协定SLA规定的超额流量
需要内存去缓存超额流量，可能会带来延迟和抖动
较少的丢包，因而较少导致重传
不能重标记
（2）流量整形的实现
队列流量整形：对接口的每个队列进行流量整形，区分优先级
步骤：在出队的时候，不需要整形的报文，直接转发；对于需要进行整形的报文，则先进行令牌桶评估：
如果数据包速率符合要求，标记为绿色，并转发。
如果数据包速率超标：正在出队的数据包仍然转发出去，将超标的报文所在的队列的状态改为不可调度，等空闲再调度此队列。
接口流量整形：限制接口发送的所有报文的总速率，是对整个出接口进行流量整形，不区分优先级
步骤：在出队的时候，对所有队列的数据包总和进行令牌桶评估：
如果数据包总速率符合要求，标记为绿色，并转发。
如果数据包总速率超标，标记为红色，接口暂停调度，等令牌足够时再继续调度。
（3）使用场景
一般用于接口出方向，多用于流量限速，对于丢包敏感流量（如：上网、下载等），推荐使用
（4）配置命令（略）
拥塞避免技术
1. 概述
（1）拥塞避免：
过度的拥塞会对网络资源造成损害，拥塞避免监督网络资源的使用情况，
当发现拥塞有加剧的趋势时采取主动丢弃报文的策略，
通过调整流量来解除网络的过载，通常作用在接口出方向。
拥塞是在共享网络上多个用户竞争相同的资源（带宽、缓冲区等）时发生的问题。
（2）拥塞经常发生的情况：
速率不匹配：分组从高速链路进入设备，再由低速链路转发出去。
汇聚问题：分组从多个接口同时进入设备，由一个没有足够带宽的接口转发出去。
（3）拥塞的影响：
拥塞增加了报文传输的延迟和延迟抖动。
过高的延迟会引起报文重传。
拥塞使网络的有效吞吐率降低，造成网络资源的损害。
拥塞加剧会耗费大量的网络资源（特别是存储资源），不合理的资源分配甚至可能导致系统陷入资源死锁而崩溃。
（4）对策：
拥塞管理：指网络在发生拥塞时，如何进行管理和控制。
拥塞避免：通过监视网络资源的使用情况，在拥塞有加剧的趋势时，主动丢弃报文，通过调整网络的流量来解除网络过载的一种流量控制机制。
拥塞避免用于防止因为线路拥塞而使设备的队列溢出。
2. 拥塞避免技术——丢弃策略：尾丢弃、RED、WRED
（1）尾丢弃（Tail Drop）——传统处理方式
当队列的长度达到最大值后，所有新入队列的报文（缓存在队列尾部）都将被丢弃。
缺点：
1）TCP全局同步现象
对于TCP报文，如果大量的报文被丢弃，将造成TCP超时，从而引发TCP慢启动，使得TCP减少报文的发送。
当队列同时丢弃多个TCP连接的报文时，将造成多个TCP连接同时进入拥塞避免和慢启动状态以调整并降低流量，这就被称为TCP全局同步现象。
这样多个TCP连接发往队列的报文将同时减少，而后又会在某个时间同时出现流量高峰，如此反复，使网络资源利用率低。
2）无差别丢弃
尾丢弃很可能导致大量非关键数据被转发，而大量关键数据被丢弃，原因：尾丢弃无法对流量进行区分
（2）随机检测（RED，Random Early Detection）——随机地丢弃数据报文
RED为每个队列的长度都设定了阈值门限，并规定：
1）当队列的长度小于低门限时，不丢弃报文。
2）当队列的长度大于高门限时，丢弃所有收到的报文。
3）当队列的长度在低门限和高门限之间时，开始随机丢弃到来的报文。
方法是为每个到来的报文赋予一个随机数，并用该随机数与当前队列的丢弃概率比较，
如果大于丢弃概率则报文被丢弃。队列越长，报文被丢弃的概率越高。
RED可以缓解TCP全局同步现象：仍有可能出现，但链路利用率已大大增加；
缺点：RED也无法对流量进行区分
（3）加权随机嫌弃检测（WRED，Weighted Random Early Detection）——通过对不同优先级数据包或队列设置相应的丢弃策略，以实现对不同流量进行区分丢弃。
流队列支持基于DSCP或IP优先级进行WRED丢弃。
优点：
打乱TCP滑动窗口的调整时间，避免TCP全局同步现象
基于权重，实现了不同流量的区分丢弃
WRED丢弃优先级：Color
丢弃概率曲线
实际应用：
1）WRED低门限百分比建议从50%开始取值，根据不同颜色的丢弃优先级逐级调整。
2）一般推荐绿色报文设置的丢弃概率比较小，高、低门限值比较大；
黄色报文次之；红色报文设置的丢弃概率最大，高、低门限值最小。
3）在网络趋近拥塞时，红色报文由于设置的低门限值比较小，丢弃概率比较大，
红色报文最先开始被丢弃；随着队列的长度逐渐增长，最后才开始丢弃绿色报文。
4）如果队列长度达到相应颜色的最大门限，这种颜色的报文开始实行尾丢弃。
3. 拥塞避免的应用：接口出方向
4. 配置命令（略）
拥塞管理技术
拥塞管理：是必须采取的解决资源竞争的措施，将报文放入队列中缓存，
并采取某种调度算法安排报文的转发次序，通常作用在接口出方向。
1. 概述
拥塞管理的中心内容是当拥塞发生时如何制定一个策略，用于决定报文转发的处理次序和丢弃原则，一般采用队列技术。
管理的内容包括：报文离开队列的时间、顺序，以及各个队列之间报文离开的相互关系则由队列调度算法决定。
队列技术：
将从一个接口发出的所有报文放入多个队列，按照各个队列的优先级进行处理。不同的队列调度算法用来解决不同的问题，并产生不同的效果。
2. 什么是队列
队列指在缓存中对报文进行排序的逻辑。当流量的速率超过接口带宽或超过为该流量设置的带宽时，报文就以队列的形式暂存在缓存中。
每个端口上都有8个下行队列，称为CQ（Class Queue）队列，也叫端口队列（Port-queue）
分别为BE、AF1、AF2、AF3、AF4、EF、CS6和CS7。
3. 队列调度算法
（1）先进先出FIFO（First In First Out）——不对报文进行分类、单个队列的报文采用FIFO原则入队和出队
特点：
优点：实现机制简单且处理速度快
缺点：不能有差别地对待优先级不同的报文
（2）严格优先级SP（Strict Priority）——严格按照队列优先级的高低顺序进行调度
特点：
优点：对高优先级的报文提供了优先转发。
缺点：低优先级队列可能出现“饿死”现象。
（3）加权公平队列WFQ（Weighted Fair Queuing）——按队列权重来分配每个流占有出口的带宽
WFQ以bit为单位进行调度，是bit-by-bit调度模型。
Bit-by-bit调度模型只是理想化的模型，实际上，NE40E实现的WFQ是按照一定的粒度，
例如256B、1KB，或其他粒度，具体按何种粒度，与单板类型相关。
在报文出队的时候：
首先让高优先队列中的报文出队并发送，直到高优先队列中的报文发送完，
然后发送中优先队列中的报文，直到发送完，接着是低优先队列。
在调度低优先级队列时，如果高优先级队列又有报文到来，则会优先调度高优先级队列。
这样，较高优先级队列的报文将会得到优先发送，而较低优先级的报文后发送。
特点：
优点：
不同的队列获得公平的调度机会，从总体上均衡各个流的延迟。
短报文和长报文获得公平的调度：如果不同队列间同时存在多个长报文和短报文等待发送，
让短报文优先获得调度，从而在总体上减少各个流的报文间的抖动。
从统计上看，权重越小，所分得的带宽越少。权重越大，所分得的带宽越多。
缺点：低时延业务仍得不到及时调度；无法实现用户自定义分类规则。
4. 端口队列调度方式
（1）每个接口有8个端口队列，用户可以为其都配置成SP调度，或者是基于权重的调度
（2）根据队列调度算法，8个端口队列可以分为三组：
1）PQ队列：采用SP调度算法
缺点：报文饿死现象，如果不对高优先级的报文带宽加限制，会造成低优先级报文得不到带宽，可能得不到调度机会。
通常情况下，只时延敏感的业务入PQ队列。
2）WFQ队列：
WFQ队列是按权重进行调度的，调度算法可以是WFQ调度算法，按权重进行剩余带宽的分配。
3）LPQ队列
LPQ队列是在高速链路（以太网）接口上实现的队列调度机制。低速链路（如Serial、MP-Group）上不支持LPQ队列。
LPQ队列之间的调度方式与PQ队列一样，也采用SP调度。
不同在于拥塞时PQ可以抢占WFQ的带宽，而LPQ不可以抢占WFQ的带宽。
在PQ和WFQ队列调度结束后，如果还有剩余带宽则分配给LPQ。
实际应用中，可以将BE流用LPQ进行调度。这样，在网络负载较重时，BE流可以完全被限制，优先满足其它业务。
（3）端口队列调度顺序：
PQ、WFQ、LPQ之间采用SP调度算法，优先调度PQ队列，再调度WFQ队列，最后调度LPQ队列。
（4）队列间的调度流程：
在调度出队的时候，若PQ队列中有报文，则总是优先发送PQ队列中的报文，
直到PQ队列中没有报文时才调度发送WFQ队列中的报文。
只要PQ队列中有报文，系统就会优先发送PQ队列中的报文。
若PQ队列中没有报文时，则调度WFQ队列。如果在调度WFQ队列过程中，
PQ队列又有报文到来，则会优先调度PQ队列。
直到WFQ中的报文被发送完毕，才调度LPQ队列中的报文。
（5）调度结果：
首先保证PQ队列的PIR带宽，剩余带宽在各WFQ队列间按权重分配。
当满足所有WFQ队列的PIR带宽后，如果此时还有剩余带宽，则分配给LPQ。
5. 拥塞管理的应用：接口出方向
6. 配置命令（略）
HQoS介绍
1. 概述
由于传统QoS只能将流分成8个队列进行调度控制，因此在多租户的场景下限制很大。
HQoS基于多级队列实现层次化调度，不仅区分了业务，也区分了用户，实现了精细化的QoS服务。
2. HQoS队列
（1）Level3流队列
每个用户的同类业务可以被认为是一个业务流，HQoS能够针对每个用户的不同业务流进行队列调度。流队列一般与业务类型相对应，包括EF、AF、BE等，用户可以配置流队列的调度方式。
（2）Level2用户队列
来自同一用户的所有业务可以被认为是一个用户队列，HQoS可以使该用户队列下的所有业务共享一个用户队列的带宽。
（3）Level1接口队列
每个接口（子接口，Tunnel口等）一个队列，接口队列之间进行轮询调度（RR），用户仅可以配置基于接口的流量整形，且其调度方式不可配置。
3. HQoS队列调度
流队列调度器和用户队列调度器都支持PQ、WFQ、PQ+WFQ调度。
接口队列调度器使用轮询调度RR（Round Robin）方式。
4. HQoS流量整形
整形器实现报文的缓存及限速功能。
设备支持三级整形器，即流队列整形器、用户队列整形器和接口队列整形器。
报文进入设备后先缓存到队列，再限速从队列发送报文，整形器配合限速算法可以保证承诺速率并限制最大速率。
5. HQoS丢弃器
丢弃器在报文入队列之前将根据丢弃策略丢弃报文。
HQoS支持的3种队列支持不同的丢弃方式：
接口队列：尾部丢弃
用户队列：尾部丢弃
流队列：尾部丢弃和WRED
6. HQoS应用
7. HQoS配置思路
HQoS配置较为复杂，在配置时一般使用MQC方式。
配置HQoS时会使用策略嵌套的配置方式：
父策略区分用户，子策略区分流量。
父策略下可以有多个子策略。
父策略应用于接口。
