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晏摄江
5 years ago
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1 H3C QoS 技术白皮书关键词 :QoS, 服务质量摘要 : 本文主要介绍 H3C 支持的 QoS 技术, 如流分类流量监管优先级标记队列调度拥塞避免流量整形策略路由缩略语 : 缩略语英文全名中文解释 QoS Quality of Service 服务质量杭州华三通信技术有限公司第 1 页, 共 13 页

2 目录 1 概述组网基本构架特性介绍服务模型流分类流量监管优先级标记队列调度拥塞避免流量整形策略路由 QoS 基本流程...12 杭州华三通信技术有限公司第 2 页, 共 13 页

3 1 概述传统的分组网络对所有报文都无区别的等同对待每个交换机 / 路由器对所有的报文采用先入先出的策略 (FIFO) 处理, 尽最大的努力 (Best-Effort) 将报文送到目的地, 但对报文传送的延时延时抖动等传输性能不提供任何承诺和保证随着计算机网络的高速发展, 对带宽延迟抖动敏感的语音图像重要数据越来越多地在网上传输这样一方面使得网上的业务资源极大地丰富, 另一方面则对网络传输的服务质量 QoS(Quality of Service) 提出了更高的要求以太网技术是当今被广泛使用的网络技术目前, 以太网不仅成为各种独立的局域网中的主导技术, 许多以太网形式的局域网也成为了 Internet 的组成部分而且随着以太网技术的不断发展, 以太网接入方式也将成为主要的普通 Internet 用户接入方式之一因此要实现端到端的全网 QoS 解决方案, 不可避免地要考虑以太网上的 QoS 业务保证的问题这就需要以太网交换设备应用以太网 QoS 技术, 对不同类型的业务流提供不同等级的 QoS 保证, 尤其是能够支持那些对延时和抖动要求较高的业务流 2 组网基本构架 VPN1 public address MPLS Domain VPN2 VPN3 PE1 P PE2 VPN1 private address VPN2 VPN3 图 1 基本组网图杭州华三通信技术有限公司第 3 页, 共 13 页

4 3 特性介绍 3.1 服务模型服务模型, 是指一组端到端的 QoS 功能最简单的服务模型 Best-Effort(FIFO), 网络设备尽最大的努力转发报文, 但对报文传送的延时延时抖动等传输性能不提供任何承诺和保证为了实现网络传输的服务质量 QoS, 提出 Diff-Serv 的概念 Diff-Serv 是一个多服务模型, 根据每个报文指定的 QoS, 来提供特定的服务, 满足不同的 QoS 需求 Diff-Serv 一般用来为一些重要的应用提供端到端的 QoS 支持 Diff-Serv 服务模型的 QoS 3.2 流分类对 Diff service 需要区分网络中不同的流, 为不同服务等级的报文指定不同的 QoS 参数流分类 (traffic classification) 是指采用一定的规则识别出符合某类特征的报文分类规则 (classification rule) 指管理员根据管理需求配置的过滤规则分类规则可以很简单, 比如可根据 IP 报文头的 ToS 字段, 识别出有不同优先级特征的流量 ; 也可以很复杂, 如综合链路层 (Layer 2) 网络层(layer 3) 传输层 (layer 4) 信息诸如 MAC 地址 IP 协议源地址目的地址或应用程序的端口号等相关信息来对报文进行分类一般的分类依据都局限在封装报文的头部信息, 使用报文的内容作为分类的标准比较少见支持 Layer 2 Layer 3 Layer 4 的 ACL 流分类规则, 包括 : 源 MAC 目的 MAC VLAN ID 源 IP 地址目的 IP 地址源 TCP/UDP 端口号目的 TCP/UDP 端口号报文协议类型 IP 优先级 TOS 优先级 DSCP 优先级报文是否分片等等 3.3 流量监管为了使有限的网络资源可以更好地为用户服务,QoS 在输入端口上可以对特定用户的业务流进行监管, 使之适应分配给它的那部分网络资源流量监管利用令牌桶 (Tocken Bucket, TB) 进行流量控制杭州华三通信技术有限公司第 4 页, 共 13 页

5 图 2 流量监管示意图图 3-1 是流量监管的处理过程首先, 报文被分类, 如果报文是某类报文规定了流量特性, 则进入令牌桶中进行处理 ; 如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文, 则报文可以通过 ; 如果令牌桶中的令牌不满足报文的发送条件, 则报文被丢弃这样, 就可以对某类报文的流量进行控制令牌桶按用户设定的速度向桶中放置令牌, 并且令牌桶有用户设定的容量, 当桶中令牌的量超出桶的容量的时候, 令牌的量不再增加当报文被令牌桶处理的时候, 如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文, 则报文可以被继续发送下去, 同时, 令牌桶中的令牌量按报文的长度做相应的减少当令牌桶中的令牌少到报文不能再发送时, 报文被丢弃这就可以限制报文的流量只能是小于等于令牌生成的速度, 达到限制流量的目的支持流量监管, 粒度为 8Kbps 3.4 优先级标记通过对报文优先级的标记, 可以区分不同报文的服务质量以太网交换机可为特定报文提供优先级标记的服务, 标记内容包括 TOS DSCP 802.1p EXP 等, 这些优先级标记分别适用于不同的 QoS 模型, 在不同的模型中被定义下面介绍一下 IP 优先级 TOS 优先级 DSCP 优先级,802.1p 优先级和 EXP 优先级杭州华三通信技术有限公司第 5 页, 共 13 页

6 1. IP 优先级 TOS 优先级和 DSCP 优先级图 3 IP 优先级 TOS 优先级和 DSCP 优先级如图所示,IP header 的 TOS 字段有 8 个 bit, 其中前 3 个 bit 表示的就是 IP 优先级, 取值范围为 0~7; 第 3~6 这 4 个 bit 表示的是 TOS 优先级, 取值范围为 0~15; 在 RFC2474 中, 重新定义了 IP 报文头部的 TOS 域, 称之为 DS 域, 其中 DSCP 优先级用该域的前 6 位 (0-5 位 ) 表示, 取值范围为 0~63, 后 2 位 (6 7 位 ) 是保留位 p 优先级 802.1p 优先级位于二层报文头部, 适用于不需要分析三层报头, 而需要在二层上保证 QoS 的场合图 Q 协议帧结构如上图所示, 每一个支持 802.1Q 协议的主机, 在发送数据包时, 都在原来的以太网帧头中的源地址后增加了一个 4 字节的 802.1Q 标签头这 4 个字节的 802.1Q 标签头包含了 2 个字节的标签协议标识 (TPID--Tag Protocol Identifier, 它的值是 8100), 和 2 个字节的标签控制信息 (TCI--Tag Control Information),TPID 是 IEEE 定义的新的类型, 表明这是一个加了 802.1Q 标签的报文, 下图显示了 802.1Q 标签头的详细内容杭州华三通信技术有限公司第 6 页, 共 13 页

7 图 p 优先级示意图在上图中,TCI 字节中 Priority 字段就是 802.1p 优先级, 它由 3 个 bit 组成, 取值范围为 0~7 这 3 位指明帧的优先级一共有 8 种优先级, 主要用于决定当交换机阻塞时, 优先发送哪个数据包之所以称此优先级为 802.1p 优先级, 是因为有关这些优先级的应用是在 802.1p 规范中被详细定义在 Vlan vpn (QinQ) 域应用 Differentiated service, 利用内层 VLAN 或者 802.1p priority 信息对报文进行分类决定报文的队列调度及报文丢弃的优先级识别内层 TAG 的 802.1p 优先级决定报文在出接口的调度及丢弃级别 QinQ QinQ QinQ VPN2 VPN3 VPN2 VPN3 图 p 映射应用示意图 3. EXP 优先级图 7 MPLS 标签示意图在以太网 MPLS 报文中, 由于在二层链路层和三层网络层之间有一个垫片 (shim), 我们可以扩展 shim 中未用的字段 :EXP( 包含三个 bit), 由这几个位决定报文的调度及报文丢弃的优先级可以根据 MPLS 报文的 EXP 进行流分类, 决定报文在出接口的调度及丢弃级别根据 IP 报文的 DSCP 映射 EXP, 决定报文在出接口的调度及丢弃级别杭州华三通信技术有限公司第 7 页, 共 13 页

8 图 8 EXP 优先级标记应用示意图 3.5 队列调度当网络拥塞时, 必须解决多个报文同时竞争使用资源的问题, 通常采用队列调度加以解决提供下面两种队列调度算法 : 严格优先级 SP(Strict-Priority) 队列调度算法加权轮循 WRR(Weighted Round Robin) 调度算法 1. SP 调度算法 high priority Queue 7 Packets send via this interface Queue 6 Packets send classify Queue 5~2 Queue 1 Dequeue Sending queue low priority Queue 0 图 9 SP 队列调度示意图 SP 队列调度算法, 是针对关键业务型应用设计的关键业务有一重要的特点, 即在拥塞发生时要求优先获得服务以减小响应的延迟以端口有 8 个输出队列为例, 优先队列将端口的 8 个输出队列分成 8 类, 依次为队列, 它们的优先级依次降低在队列调度时,SP 严格按照优先级从高到低的次序优先发送较高优先级队列中的分组, 当较高优先级队列为空时, 再发送较低优先级队列中的分组这样, 将关键业务的分组放入较高优先级的队列, 将非关键业务 ( 如 ) 的分组放入较低优杭州华三通信技术有限公司第 8 页, 共 13 页

9 先级的队列, 可以保证关键业务的分组被优先传送, 非关键业务的分组在处理关键业务数据的空闲间隙被传送 SP 的缺点是 : 拥塞发生时, 如果较高优先级队列中长时间有分组存在, 那么低优先级队列中的报文就会由于得不到服务而饿死 2. WRR 调度算法交换机的端口支持 8 个输出队列,WRR 队列调度算法在队列之间进行轮流调度, 保证每个队列都得到一定的服务时间以端口有 8 个优先级队列为例 WRR 可为每个队列配置一个加权值 ( 依次为 w7 w6 w5 w4 w3 w2 w1 w0), 加权值表示获取资源的比重如一个 100M 的端口, 配置它的 WRR 队列调度算法的加权值为 ( 依次对应 w7 w6 w5 w4 w3 w2 w1 w0), 这样可以保证最低优先级队列至少获得 5Mbit/s 带宽, 避免了采用 SP 调度时低优先级队列中的报文可能长时间得不到服务的缺点 WRR 队列还有一个优点是, 虽然多个队列的调度是轮循进行的, 但对每个队列不是固定地分配服务时间片如果某个队列为空, 那么马上换到下一个队列调度, 这样带宽资源可以得到充分的利用 3.6 拥塞避免在网络发生拥塞的情况下, 普通的网络设备采取尾丢弃方式避免拥塞, 即当队列长度达到规定的最大长度的时候, 所有到来的报文都被丢弃但是, 对于 TCP 之类的报文由于大量的报文被丢弃, 将造成 TCP 超时, 从而引发 TCP 的慢启动和拥塞避免机制, 使 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 连接同时进入慢启动和拥塞避免, 称之为 :TCP 全局同步这样多个 TCP 连接发向队列的报文将同时减少, 使得发向队列的报文的量不及线路发送的速度, 减少了线路带宽的利用而且, 发向队列的报文的流量忽大忽小, 使线路上的流量在极少和饱满之间波动为了避免上诉类似情况的发生, 支持加权随机早期检测 (Weighted Random Early Detection, 简称 WRED) 的丢弃策略用户可以设定队列的低限和高限 ; 当队列的长度小于低限时, 不丢弃报文 ; 当队列的长度在低限和高限之间时,WRED 开始随机丢弃报文, 队列的长度越长, 丢弃的概率越高 ; 当队列的长度大于高限时, 丢弃所有的超限报文杭州华三通信技术有限公司第 9 页, 共 13 页

10 由于 WRED 随机丢弃报文, 避免 TCP 的全局同步的情况当某个 TCP 连接的报文被丢弃并且开始减速发送的时候, 其他的 TCP 连接仍然有较高的发送速度这样, 总有 TCP 连接在进行较快的发送, 提高了线路带宽的利用率直接采用队列的长度和低限高限比较并进行丢弃 ( 这是设置队列门限的绝对长度 ), 将会对突发性的数据流造成不公正的待遇, 不利于数据流的传输所以, 在和低限高限比较并进行丢弃时, 采用队列的平均长度 ( 这是设置队列门限与平均长度比较的相对值 ) 队列的平均长度是队列长度被低通滤波后的结果它既反映了队列的变化趋势, 又对队列长度的突发变化不敏感避免了对突发性的数据流造成不公正的待遇可以为每个队列的不同优先级 (precedence) 的报文设定不同的队列长度滤波系数低限高限丢弃概率, 对不同队列的不同优先级的报文提供不同的丢弃特性当拥塞发生时, 会尽快的丢包释放队列资源, 同时尽量不将报文放入高延迟的队列中, 以消除拥塞在接收报文时可以根据报文的 802.1P 优先级为报文分配丢弃级别 ( 也可以称为对报文进行着色 ), 也可以通过优先级标记动作为报文分配丢弃级别丢弃级别取值为 0 1 2,2 代表红色,1 代表黄色,0 代表绿色在拥塞发生时, 红色报文将首先被丢弃, 绿色报文最后才会被丢弃拥塞避免的参数和丢弃阈值可以分队列分丢弃级别进行配置支持两种丢弃算法 : 尾丢弃 : 当进行报文丢弃时, 对于按丢弃级别划分的红黄绿报文分别使用红黄绿队列的丢弃阈值来决定是否丢弃当红黄绿报文分别超过红黄绿队列的上限队列长度, 系统就开始丢弃上限队列长度之后的报文 WRED 丢弃算法 : 在按照队列对报文进行丢弃时综合考虑了丢弃级别当红黄绿报文分别超过红黄绿队列的下限队列长度时, 系统就开始以某一斜率丢弃下限队列长度与上限度列长度之间的报文当红黄绿报文开始超过它们的上限队列长度时, 系统就开始丢弃上限度列长度之后的所有报文杭州华三通信技术有限公司第 10 页, 共 13 页

11 3.7 流量整形流量整形是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流量整形通常是为了使报文速率与下游设备相匹配, 以避免不必要的报文丢弃和拥塞它和流量监管的主要区别在于流量整形是缓存超过速率限制的报文, 使报文以均匀的速率发送出去, 而流量监管则是丢弃超过流量速率限制的报文但是流量整形会增加延迟, 而流量监管不会引入额外的延迟支持针对端口进行流量整形, 即对端口所有的流量进行流量整形, 也支持针对端口上特定输出队列的流量整形 3.8 策略路由图 10 策略路由应用示意图通过将报文进行分类, 然后对某一类别的报文配置重定向来实现策略路由功能如图 10, 通过对报文的源 IP 和目的 IP 进行分类, 识别出访问公网, 并且源 IP 是私网地址的报文将这些报文通过策略路由重定向到 NAT 设备进行网络地址转换后访问 Internet 杭州华三通信技术有限公司第 11 页, 共 13 页

4 QoS 基本流程图 11 QoS 流程图通过流分类采取不同的策略区分不同的业务流这些策略可以包括源 MAC 目的 MAC 以太网类型 VLAN 802.1p priority ip-protocol 源 IP 目的 IP 应用程序端口号 icmp 报文类型 ip-precedence TOS DSCP EXP QINQ 报文内层 TAG 中的 vlan 及 802.

12 4 QoS 基本流程图 11 QoS 流程图通过流分类采取不同的策略区分不同的业务流这些策略可以包括源 MAC 目的 MAC 以太网类型 VLAN 802.1p priority ip-protocol 源 IP 目的 IP 应用程序端口号 icmp 报文类型 ip-precedence TOS DSCP EXP QINQ 报文内层 TAG 中的 vlan 及 802.1p priority 等在对数据流进行细致分类后除了简单的允许通过和丢弃控制外, 的策略控制列表 PCL(Policy Control List) 可以对业务流采取流量监管流量统计 QoS 参数 (802.1p 优先级 DSCP EXP 丢弃优先级) 重标记报文镜像报文重定向, 决定出端口队列等丰富的控制动作通过报文优先级映射标记业务流的丢弃级别后, 拥塞避免模块根据用户设定的丢弃模式及红黄绿报文的上限队列长度和下限队列长度采取丢包策略在尾丢弃的模式下, 当红黄绿报文分别超过红黄绿队列的上限队列长度, 系统就开始丢弃上限队列长度之后的报文在 WRED 丢弃模式下, 当红黄绿报文分别超过红黄绿队列的下限队列长度时, 系统就开始以某一斜率丢弃下限队列长度与上限度列长度之间的报文当红黄绿报文开始超过它们的上限队列长度时, 系统就开始丢弃上限度列长度之后的所有报文通过拥塞避免后被确定允许转发的报文进入相应的队列队列管理模块使用 SP 或者 WRR 调度算法对报文进行调度在转发报文的同时根据令牌桶的大小对报文的杭州华三通信技术有限公司第 12 页, 共 13 页

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层