QoS原理

2023-11-22 20:30:16

文章目录

QoS简介
- 影响网络通信质量的因素：
- QoS的功能：
QoS服务模型
QoS MQC简介
QoS令牌桶算法
QoS应用与实现

QoS简介

服务质量QoS（Quality of Service）用于评估服务方满足客户服务需求的能力。通过配置QoS，对企业的网络流量进行调控，避免并管理网络拥塞，减少报文的丢失率，同时也可以为企业用户提供专用带宽或者为不同的业务（语音、视频、数据等）提供差分服务。

影响网络通信质量的因素：

网络带宽：

网络带宽是指在单位时间（一般指的是1秒钟）内能传输的数据量。

网络时延：

时延是指一个报文从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间。

实时应用通信质量都比较关注时延大小，如语音、视频等。以语音传输为例，时延是指从说话者开始说话到对方听到所说内容的时间。若时延太大，会引起通话声音不清晰、不连贯或破碎。

单个网络设备的时延包括传输时延、串行化时延、处理时延、以及队列时延。

传输时延：一个数据位从发送方到达接收方所需要的时间。该时延取决于传输距离和传输介质，与带宽无关。
串行化时延：指发送节点在传输链路上开始发送报文的第一个比特至发完该报文的最后一个比特所需的时间。该时延取决于链路带宽以及报文大小。
处理时延：指路由器把报文从入接口放到出接口队列需要的时间。它的大小跟路由器的处理性能有关。
队列时延：指报文在队列中等待的时间。它的大小跟队列中报文的大小和数量、带宽以及队列机制有关。

抖动：

由于每个报文的端到端时延不一样，就会导致这些报文不能等间隔到达目的端，这种现象叫做抖动。一般来说，时延越小则时延抖动的范围越小。

某些业务类型（特别是语音和视频等实时业务）是极其不能容忍抖动的。报文到达时间的差异将在语音或视频中造成断续；另外，抖动也会影响一些网络协议的处理，有些协议是按固定的时间间隔发送交互性报文，抖动过大就会导致协议震荡，而实际上所有传输系统都有抖动，但只要抖动在规定容差之内就不会影响服务质量，另外，可利用缓存来克服过量的抖动，但这将会增加时延。

抖动的大小跟时延的大小直接相关，时延小则抖动的范围也小，时延大则可能抖动的范围也大。

丢包：

丢包率是指在网络传输过程中丢失报文占传输报文的百分比。丢包可用于衡量网络的可靠性。

丢包（packetloss）可能在所有环节中发生，例如：

处理过程：路由器在收到报文的时候可能由于CPU繁忙，无法处理报文而导致丢包；
排队过程：在把报文调度到队列的时候可能由于队列被装满而导致丢包；
传输过程：报文在链路上传输的过程中，可能由于种种原因（如链路故障等）导致的丢包。

少量的丢包对业务的影响并不大，例如，在语音传输中，丢失一个比特或一个报文的信息，通话双方往往注意不到；在视频广播期间，丢失一个比特或一个报文可能造成屏幕上瞬间的波形干扰，但视频很快就会恢复正常。即使使用传输控制协议（TCP）传送数据也能处理少量的丢包，但大量的丢包就会严重影响到传输效率。

QoS的功能：

分组分类器和标记器

网络边界上的路由器根据TCP/IP分组报头中的一个或多个字段，使用分类器功能来标记识别属于特定通信类的分组，然后用标记器功能标记已被分类的通信，这是通过设置IP优先字段或区分服务代码点（DSCP）字段来实现的。
通信速率管理

服务提供商使用控制(policing)功能度量进入网络的客户通信，并将其与客户的通信配置文件(profile)进行比较。同时，接入服务提供商网络的企业可能需要使用通信整形功能
来度量其所有的通信，并以恒定的速率将它们发送出去，以符合服务提供商的控制功能。令牌桶一种常用的通信度量方案。
资源分配

先进先出 (FIFO) 调度是一种被当前的 Internet
路由器和交换机所广泛采用的传统排队机制。虽然先进先出调度部署起来很简单，但是在提供 QoS
时有一些基本的问题。它没有提供优先级处理对延迟敏感的通信并将其移至队开头的手段，对所有的通信都完全同等地对待，不存在通信区分或服务区分的概念。

对于提供QoS的调度算法，至少要能区分队列中的不同分组，并知道每个分组的服务等级。调度算法决定接下来处理队列中的哪一个分组，而流分组获得服务的频度决定了为这个流分配的带宽或资源。
拥塞避免和分组丢弃策略

在传统的先进先出排队技术中，队列管理是这样实现的：当队列中的分组数量达到队列的最大长度后，将到达的分组全部丢弃。这种队列管理技术叫做尾部丢弃(tail drop),它只在队列完全填满时发出拥塞信号。在这种情况下，没有使用积极的队列管理来避免拥塞，也没有减小队列尺寸来使排队延迟最小。积极的队列算法管理使得路由器在队列溢出前就可以检测到拥塞。
QoS信令协议

SVP 是在 Internet 上提供端到端 QoS 的 IETF Intserv
体系结构的一部分，它使得应用程序可以向网络提出每个流的服务质贯要求。服务参数用来量化这些要求，供管理控制使用。
交换

路由器的主要功能是根据转发表中的信息快速、高效地将所有输入通信交换到正确的输出端口和下一中继段地址。传统的基于缓存的转发机制虽然高效，但是由于它是由通信驱动的，所以存在扩展性和性能方面的问题，并且在网络不稳定时会增加缓存维护工作，并降低交换性能。

基于拓扑的转发方法通过建立一个与路由器路由表完全相同的转发表，解决了基于缓存的转发机制中存在的问题。
路由

传统的路由仅仅基于目的地，并且在最短路径上是根据路由表来路由分组的。对于某些网络情况，这显得不够灵活。策略路由是一种 QoS功能，它使得用户可以不根据目的地进行路由，而是根据各种用户自己可以配置的分组参数进行路由。当前的路由选择协议提供了最短路径路由，它基于量度值（如管理成本、权重或中继段数）来选择路由。分组是根据路由表被传输的，而对流的要求或路由上可用的资源一无所知。QoS 路由则是一种考虑了流的 QoS 要求的路由选择机制，它在选择路由时，对网络上可用的资源有一定的了解。

QoS服务模型

尽力而为的服务模型（Best-Effort）：

Best-Effort是一个单一的服务模型，也是最简单的服务模型。应用程序可以在任何时候，发出任意数量的报文，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络。
应用Best-Effort服务模型的网络尽最大的可能性来发送报文，但对时延、可靠性等性能不提供任何保证，但它适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等。
Best-Effort服务是现在Internet的缺省服务模型，它是通过先入先出（FIFO）队列来实现的。

在尽力而为的服务模型下，可通过增大网络带宽和升级网络设备来提高端到端通信质量：

增大网络带宽：可以增大单位时间内传输的数据量，使其按照传统先进先出的方式在单位时间内传输更多的数据，改善网络拥塞问题。
升级网络设备：可以增大数据处理能力，使其按照传统先进先出的方式在单位时间内能够处理更多的数据，改善网络拥塞问题。

综合服务模型(Integrated Services)：
RSVP协议工作过程：在应用程序发送报文前，需要向网络申请特定的带宽和所需的特定服务质量的请求，等收到确认信息后才发送报文。

综合服务模型（IntegratedServicesModel）：

IntServ是一种最为复杂的服务模型，它需要用到RSVP（ResourceReservation
Protocol）协议。该服务模型在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。这个请求是通过信令（signal）来完成的，应用程序首先通知网络它自己的流量参数和所需的特定服务质量的请求，包括带宽、时延等。应用程序一般在收到网络的确认信息后，即认为网络已经为这个应用程序的报文发送预留了资源，然后立即发送报文。
IntServ模型要求端到端网络的所有节点都支持RSVP协议，且每个节点都需要周期性地同相邻节点交换状态信息，这样就会加大协议报文导致的开销。更关键的是，所有网络节点都需要为每个数据流保存状态信息，而当前在Internet骨干网上有着成千上万条数据流，因此IntServ模型在Internet骨干网上无法得到广泛应用。

区分服务模型（DiffServ）：

DiffServ区分服务工作过程：首先将网络中的流量分成多个类，然后为每个类定义相应的处理行为，使其拥有不同的优先转发、丢包率、时延等。

Diffserv服务模型概述：

业务流分类和标记由边缘路由器来完成。边界路由器可以通过多种条件（比如报文的源地址和目的地址、ToS域中的优先级、协议类型等）灵活地对报文进行分类，然后对不同类型的报文设置不同的标记字段，而其他路由器只需要简单地识别报文中的这些标记，然后对其进行相应的资源分配和流量控制即可。因此，DiffServ是一种基于报文流的QoS模型。
它只包含有限数量的服务等级，少量的状态信息来提供有差别的流量控制和转发。
DS节点：实现DiffServ功能的网络节点称为DS节点。
DS边界节点：负责连接另一个DS域或者连接一个没有DS功能的域的节点。DS边界节点负责将进入此DS域的业务流进行分类和流量调整。
DS内部节点：用于在同一个DS域中连接DS边界节点和其他内部节点。DS内部节点仅需基于报文中的EXP、802.1p、IPP等字段值进行简单的流分类以及对相应的流进行流量控制。
DS域（DSDomain）：一组采用相同的服务提供策略和实现了相同PHB（PerHop
Behaviors）的相连DS节点组成。一个DS域由相同管理部门的一个或多个网络组成，如一个DS域可以是一个ISP，也可以是一个企业的内部网络。
DiffServ模型充分考虑了IP网络本身所具有的灵活性、可扩展性强等特点，将复杂的服务质量保证通过报文自身携带的信息转换为单跳行为，从而大大减少了信令的工作。该模型是目前应用最广的服务模型。

三种服务模型的对比：

	优点	缺点
尽力而为服务模型	实现机制简单	对不同业务流不能进行区分对待
综合服务模型	可提供端到端QoS服务，并保证带宽、延迟	需要跟踪和记录每个数据流的状态，实现较复杂，且扩展性较差，带宽利用率较低
区分服务模型	不需跟踪每个数据流状态，资源占用少，扩展性较强；且能实现对不同业务流提供不同的服务质量	需要在端到端每个节点都进行手工部署，对人员能力要求较高

QoS MQC简介

模块化QoS命令行MQC（Modular QoS Command-Line Interface）是指通过将具有某类共同特征的报文划分为一类，并为同一类报文提供相同的服务，也可以对不同类的报文提供不同的服务。

随着网络中QoS业务的不断丰富，在网络规划时若要实现对不同流量（如不同业务或不同用户）的差分服务，会使部署比较复杂。MQC的出现，使用户能对网络中的流量进行精细化处理，用户可以更加便捷的针对自己的需求对网络中的流量提供不同的服务，完善了网络的服务能力。

MQC三要素及其配置：

MQC包含三个要素：流分类（traffic classifier）、流行为（traffic behavior）和流策略（traffic policy）。

流分类

流分类用来定义一组流量匹配规则，以对报文进行分类。

二层流分类规则
源MAC地址、目的MAC地址、VLAN、MPLS EXP、基于二层的协议字段、ACL 4000~4999匹配的字段等。
三层流分类规则
IP DSCP、IP precedence、IP协议类型、RTP端口号、ACL 2000~3999匹配的字段、ACL6 2000~3999匹配的字段等。

流分类配置

traffic classifier classiffer-name[ operator{andor}]
 classiffer-name ∶指定流分类名称。
 Operator∶指定流分类下各规则之间的逻辑运算符。如果没有指定operator，则各规则之间
缺省为逻辑"或"的关系。
 And∶指定流分类下各规则之间是逻辑"与"的关系。
 Or∶指定流分类下各规则之间是逻辑"或"的关系。指定该逻辑关系后，报文只需匹配流分类下的一个或多个规则就属于该类。

流行为

流行为用来定义针对某类报文所做的动作。

报文过滤
重标记优先级
重定向
流量监管
流量统计

通过命令 tarffic behavior-name 可创建一个流行为

流策略

流策略用来将指定的流分类和流行为绑定，对分类后的报文执行对应流行为中定义的动作。

一个流策略可以绑定多个流分类和流行为。

流策略配置

执行命令traffic policy policy-name，创建一个流策略并进入流策略视图
执行命令classifier classifier-name behavior behavior-name[precedence precedence-value]

MQC配置示例

在RTA上将流浪分成三类：AF11、AF21、EF
RTB上将AF21流量重新标记成AF22

这是一个基于类的QoS的配置示例。在RTA上执行流分类;在RTB上执行带宽限制、重新标记等策略。

拓扑图：

MQC配置-AR1配置

#
acl number 2001  
 rule 0 permit source 1.1.1.1 0 
acl number 2002  
 rule 0 permit source 2.2.2.2 0 
acl number 2003  
 rule 0 permit source 3.3.3.3 0 
#
traffic classifier ef operator and
 if-match acl 2003
traffic classifier af21 operator and
 if-match acl 2002
traffic classifier af11 operator and
 if-match acl 2001                              //流分类
#
traffic behavior ef
 remark dscp ef
traffic behavior af21
 remark dscp af21
traffic behavior af11
 remark dscp af11                              //流行为
#
traffic policy haha
 classifier af11 behavior af11
 classifier af21 behavior af21
 classifier ef behavior ef                    //流策略
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 12.1.1.1 255.255.255.0 
 traffic-policy haha outbound
#                                                        //接口调用

AR1上主要是执行流量分类。根据源地址的不同，分别吧流量标记位AF11、AF21、EF。

MQC配置-AR2配置

#
traffic classifier af21 operator and
 if-match dscp af21 
#
traffic behavior af22
 remark dscp af22
#
traffic policy dscp
 classifier af21 behavior af22
#
interface GigabitEthernet0/0/0
 ip address 12.1.1.2 255.255.255.0 
 traffic-policy dscp inbound
#

在RTB上根据数据包的标记执行不同的QoS策略。

这是在AR2和AR3入接口对源地址：2.2.2.2 的抓包，在AR2上标记被修改（AF21–AF22）：

MQC配置命令行

classifier behavior
//在流策略中为指定的流分类配置所需流行为，即绑定流分类和流行为。
display traffic behavior
//查看已配置的流行为信息。

if-match 8021p 8021p-value &<1-8>
//创建基于VLAN报文的802.1p优先级进行分类的匹配规则。
if-match acl
//创建基于ACL进行分类的匹配规则。
if-match any
//创建基于所有数据报文进行分类的匹配规则。
if-match cvlan-8021p 8021p-value &<1-8>
//创建基于QinQ报文内层802.1p优先级进行分类的匹配规则。
if-match destination-mac
//创建基于目的MAC地址进行分类的匹配规则。
if-match [ ipv6 ] dscp dscp-value &<1-8>
//创建基于报文DSCP值进行分类的匹配规则。
if-match fr-de
//创建基于FR报文中的DE标志位进行分类的匹配规则。
if-match inbound-interface
//创建基于入接口对报文进行分类的匹配规则。
if-match ip-precedence ip-precedence-value &<1-8>
//创建基于IP优先级进行分类的匹配规则。
if-match l2-protocol { arp | ip | mpls | rarp | protocol-value }
//创建基于二层封装的协议字段进行分类的匹配规则。
if-match mpls-exp exp-value &<1-8>
//配置基于MPLS报文中的EXP字段进行分类的匹配规则。
if-match outbound-interface
//创建基于Cellular出通道口对报文进行分类的匹配规则。
if-match packet-length
//创建基于IPv4报文长度进行分类的匹配规则。
if-match protocol { ip | ipv6 }
//创建基于协议进行分类的匹配规则。
if-match qos-group
//创建基于QoS group索引进行分类的匹配规则。
if-match source-mac
//创建基于源MAC地址进行分类的匹配规则。
if-match tcp syn-flag { ack | fin | psh | rst | syn | urg }*
//创建基于TCP报文头中的SYN Flag进行分类的匹配规则。
if-match user-set
//创建基于用户组进行分类的匹配规则。
if-match vlan-id
//创建基于VLAN ID进行分类的匹配规则。
if-match dlci
//if-match dlci
if-match pvc
//创建基于ATM报文中的PVC信息进行分类的匹配规则。
ip netstream sampler
//配置IPv4报文的采样统计功能。
qos pre-nat
//使能NAT预分类功能。

remark 8021p 8021p-value
//标记VLAN报文802.1p优先级的动作。
remark dscp { dscp-name | dscp-value }
//标记IP报文的DSCP优先级的动作。
remark local-precedence
//创建重标记内部优先级的动作。
remark cvlan-8021p
//标记QinQ报文内层802.1p优先级值的动作。
remark fr-de
//标记FR报文的DE标志位的动作。
remark mpls-exp
//标记MPLS报文中的EXP优先级的动作。
remark qos-group
//配置报文所属的QoS group。
url-filter-profile
//在流行为中绑定URL过滤模板。

QoS令牌桶算法

要实现流量的控制，必须有一种机制可以对通过设备的流量进行度量。令牌桶是目前最常采用的一种流量测量方法，用来评估流量速率是否超过了规定值。
当数据流到达设备时首先会根据数据的大小从令牌桶中取出与数据大小相当的令牌数量用来传输数据。也就是说要使数据被传输必须保证令牌桶里有足够多的令牌，如果令牌数量不够，则数据会被丢弃或缓存。这就可以限制报文的流量只能小于等于令牌生成的速度，达到限制流量的目的。

单速率令牌桶参数

单速率令牌桶主要由如下三个参数构成

CIR（Committed Information Rate）∶承诺信息速率
CBS（Committed Burst Size）∶承诺突发尺寸
EBS（Extended burst size）∶超额突发尺寸

单速率令牌桶结构

双桶结构由两个桶实现，为方便将两个令牌桶称为C桶和E桶

对于单速率标记算法的实现，华为路由器采用双桶结构。
双桶结构由两个桶实现，为方便将两个令牌桶称为C桶和E桶。C桶容量为CBS，E桶容量为EBS，总容量是CBS+EBS。如果不允许有突发流量，EBS则设置成0。
当EBS≠0时，称为单速双桶。当EBS=0，E桶的令牌数始终为0，相当于只使用了一个令牌桶——
C桶，这种情况也称为单速单桶。单速单桶中，报文只标记为绿、红两色

CIR CBS EBS的单位∶

CIR（Committed Information Rate）∶承诺信息速率，单位是bit/s，表示向令牌桶中投放令牌的速率。
CBS（Committed Burst
Size）∶承诺突发尺寸，单位为bit，用来定义在部分流量超过CIR之前的最大突发流量，即为令牌桶的容量（深度）。承诺突发尺寸必须大于报文的最大长度（最大时一个分组可以领取桶中的全部令牌）。CBS越大，表示所允许的突发量越大。
EBS（Extended burstsize）∶超额突发尺寸，用来定义在所有流量超过CIR之前的最大突发量。

单速率流量评估规则

单速率令牌添加方式

单速率标记算法中，初始状态时两桶是满的。先往C桶中添加令牌，等C桶满了，再往E桶中添加令牌（E桶的令牌用做以后临时超过CIR的突发流量），当两桶都被填满时，新产生的令牌将会被丢弃。

单速率流量评估规则

当报文到来后，直接与桶中的令牌数相比较，如果有足够的令牌就转发（通常用一个令牌关联一个比特的转发权限），如果没有足够的令牌则丢弃或缓存。
为方便用Tc和Te表示桶中的令牌数量，Tc和Te初始化等于CBS和EBS。

色盲模式下，在对到达报文（假设报文大小为B）进行评估时，遵循以下规则∶

对于单速单桶 ∶

如果报文长度不超过C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为绿色，且Tc=Tc-B，
如果报文长度超过C桶中的令牌数Tc，报文被标记为红色，Tc值不变。

对于单速双桶∶

如果报文长度不超过C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为绿色，且Tc=Tc-B，
如果报文长度超过C桶中的令牌数Tc但不超过E桶中的令牌数Te，则报文被标记为黄色，且Te=Te-B，
如果报文长度超过E桶中的令牌数Te，报文被标记为红色，但Tc和Te不变。

色敏模式下，在对到达报文（假设报文大小为B）进行评估时，遵循以下规则∶

对于单速单桶

如果报文已被标记为绿色但报文长度不超过C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为绿色，且Tc=Tc-B;
如果报文已被标记为绿色且报文长度超过C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为红色，Tc保持不变;
如果报文已被标记为黄色或红色，都直接将报文标记为红色，Tc保持不变。

对于单速双桶 ∶

如果报文已被标记为绿色且报文长度不超过C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为绿色，且Tc=TC-B，
如果报文已被标记为绿色且报文长度超过C桶中的令牌数Tc但不超过E桶中的令牌数Te，则报文被标记为黄色，且Te=Te-B，
如果报文已被标记为黄色但报文长度不超过E桶中的令牌数Te，则报文被标记为黄色，且Te=Te-B，
如果报文已被标记为黄色且报文长度超过E桶中的令牌数Te，则报文被标记为红色，且Te保持不变，
如果报文已被标记为红色，直接将报文标记为红色，Tc和Te不变。

双速率令牌桶参数

CIR（Committed Information Rate）∶承诺信息速率，表示端口允许的信息流平均速率，单位是bit/s。
CBS（Committed Burst Size）∶承诺突发尺寸，用来定义在部分流量超过CIR之前的最大突发流量，单位为bit。承诺突发尺寸必须不小于报文的最大长度。
PIR（Peak Information Rate）∶表示峰值信息速率，表示端口允许的突发流量的最大速率，单位是bit/s。该值必须不小于CIR的设置值。
PBS（Peak Burst Size）∶表示峰值突发尺寸，用来定义每次突发所允许的最大的流量尺寸。

双速率令牌桶结构

双速率三色标记算法业界都使用两个令牌桶，但它关注的是速率的突发，所以不像单速率三色标记算法那样把第一个桶中未使用的令牌放到第二个桶中，而是使用两个独立的令牌桶，存在两个令牌填充速率。为方便将两个令牌桶称为C桶和P桶，C桶容量为CBS，令牌填充速率为CIR，P桶容量为PBS，令牌填充速率为PIR。

说明 ∶"双速率"是指该算法中两个令牌桶中的令牌填充速率不同。

双速率令牌添加方式

初始状态时两桶是满的。往C桶和P桶分别以CIR和PIR的速率填充令牌。因这两个令牌桶是相互独立的，当其中一个桶被填满时，这个桶新产生的令牌将会被丢弃，另一个桶继续填令牌

双速率流量评估规则

双速率三色标记算法关注的是速率的突发，首先评估的是数据流的速率是否符合规定的突发要求，其规则是先比较P桶，再比较C桶。
双速率三色标记算法也有色盲模式和色敏模式两种。为方便用Tc和Tp表示桶中的令牌数量，Tc和Tp初始化等于CBS和PBS。

色盲模式下，在对到达报文（假设数据包大小为B）进行评估时，遵循以下规则∶

如果报文长度超过P桶中的令牌数Tp，则报文被标记为红色，且Tc和Tp保持不变，
如果报文长度不超过P桶中的令牌数Tp但超过C桶中的令牌数Tc，则报文被标记为黄色，且Tp=Tp-B，
如果报文长度不超过C桶中的令牌数Tc，报文被标记为绿色，且Tp=Tp-B，Tc=Tc-B。