Quidway 8500交換機上的QOS技術與實現機制

2019-11-04 20:10:08

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

前言

隨著Internet市場的不斷發展，用戶對通信的需求已從傳統的電話、傳真、電報等低速業務逐漸向高速的Internet接入、可視電話、視頻點播VOD（Video On Demand）等寬帶業務領域延伸，Internet以其低廉的價格和全球范圍內的可用性使其成為傳統廣域網的替代品。但是，在ip網絡中所有的數據包都是根據所謂盡力（Best-Effort）的原則傳送的，因此目前的Internet可以很好的支持Web瀏覽和E-Mail服務，但卻不能很好的支持實時的語音和圖像的傳遞。IP網絡對QoS能力的需求越來越迫切。Quidway S8500系列路由交換機是華為3Ccom公司自主開發的大容量、模塊化的L2/L3線速交換設備，主要面向大型企業網及園區網的網絡骨干、交換核心、匯聚中心和寬帶城域網。它提供豐富的業務功能，可以滿足高端用戶對多業務、高可靠、大容量和模塊化的需求。同時，S8500交換機所選用的芯片具有足夠強大而靈活的QOS能力，足以能滿足現代運營商構建智能城域網的需求。

名詞解釋

1.QoS，Quality of Service，服務質量是指答應用戶在吞吐量、延遲抖動、延遲，丟包率等方面獲得可預期的服務水平的一系列技術的集合。

2.流，即業務流（traffic），指所有通過交換機的報文。

3.流分類（traffic classification），是指治理員采用一定的規則，識別出符合某類特征的報文，以備QOS之用。

4.流量監管（traffic policing），為了使有限的網絡資源可以更好地為用戶服務，QoS在輸入端口上可以對特定用戶的業務流進行監管，使之適應分配給它的那部分網絡資源。

5.優先級標記（PRiority marking）：以太網交換機可為特定報文提供優先級標記的服務，標記內容包括TOS、DSCP、802.1p等。

6.流量整形（traffic shaping）：使業務流中的分組延時輸出以符合業務模型的規定。

7.隊列調度（Congestion Management）：把交換機的輸出隊列進行排隊，以使高優先級的報文能夠被優先發送。

8.擁塞避免（Congestion Avoidance）：交換機發生擁塞時丟包釋放隊列資源的算法。包括尾丟棄、WRED等。

9.本地優先級（Local-precdence）：交換機為報文分配的一種具有本地意義的優先級。其僅在本交換機內部起作用。具有不同的LP的報文進入到不同的隊列。

10.遵守級別（Conform-Level）：交換機為報文分配的一種具有本地意義的服務參數。其本身不對QOS直接作用，但是交換機會根據它而生成各種服務參數，從而影響QOS。在本文中也就是丟棄優先級（Drop-precedence）。

11.丟棄優先級（Drop-precedence）：隊形調度中，在進行報文丟棄的時候會參考的參數。分為0、1、2三個等級，也可稱為報文的著色，分別對應紅、黃、綠三種顏色。

S8500QOS特點

● 每端口8個優先級隊列,每個隊列又可分3個丟棄優先級

● 支持基于輸出端口隊列的shapping

● 隊列治理:支持Three color RED（GRED）和Tail Drop

● 調度:支持SP和WRR的可編程組合

● 支持TOS、EXP、802.1p字段的標記和重標記

● 支持802.1p優先級到本地優先級、丟棄優先級的映射

● 支持IPv4 TOS到本地優先級、丟棄優先級的映射

S8500QOS特點分析

S8500是一款高性能路由交換機，為使其達到二、三層的轉發線速，故其QOS特性主要由芯片來保證。其選取的芯片是Prestera芯片組，是Galileo公司(現被美國Mavell公司收購)今年推出的可用于企業網/城域網/骨干網的L3+解決方案的系列芯片。

在8500交換機上，QOS實現流程如下：

入接口流分類---->服務參數自動分配或流量監管和優先級標記---->出接口輸出隊列---->隊列調度與擁塞避免---->流量整形

下面我們按照以上順序來進行QOS8500交換機上特性及配置的分析。

1．流分類

對于QOS來說，第一步是進行流分類。8500的流分類是比較豐富的，它可以基于數據流報文中的VLAN標簽、基于以太網報文中攜帶的MAC信息、基于IP報文頭部的IPv4子網和協議信息，以及可以根據報文流經的物理端口來分類。分類所使用的工具是ACL，在交換機的入口處通過ACL將報文流分為不同的類別，為在后面交換機進行QOS打下一個良好的基礎。

2．服務參數自動分配

服務參數是一套QoS相關的參數，包括802.1p優先級（也稱為COS優先級）、DSCP優先級、本地優先級、遵守級別。在這些參數中，802.1p優先級是位于報文的VLAN TAG上，是報文的二層信息；DSCP優先級是在IP首部中，是報文的三層信息；而本地優先級和遵守級別則是在交換機內部給交換機分配的一種信息，僅在交換機內部有效，報文出此交換機時，此信息就丟失了。

交換機在接收到報文之后，會參考一定的規則自動給報文分配一套服務參數。分配的依據是報文的802.1p優先級及在交換機端口上可配置的端口優先級。首先交換機會根據報文的802.1p優先級查找下面的映射表來獲取報文的丟棄優先級和本地優先級：“COS—＞Drop-precedence”映射表和“COS —＞Local-precdence”映射表。在這里，“Drop-precedence”也對應于我們前面提到的遵守級別，意即我們有后面進行流量監管和優先級標記時所需要的遵守級別是從這里獲得的。假如沒有做其它配置的話，這里獲得的丟棄優先級也就是報文著色的結果，其值0、1、2分別對應于著色的紅、黃、綠。交換機提供這些映射表的缺省取值，用戶可以根據需要重新配置這些映射表；假如沒有成功為報文分配到本地優先級或丟棄優先級，交換機就會使用報文接收端口的缺省本地優先級作為報文的本地優先級，使用報文接收端口的缺省Drop-precedence做報文的著色處理。

系統提供缺省的“COS —＞Local-precdence”及“COS—＞Drop-precedence”映射表。

缺省的“COS —＞Local-precdence”映射表

　 Quidway 8500交換機上的QOS技術與實現機制（圖一）

缺省的“COS—＞Drop-precedence”映射表

　 Quidway 8500交換機上的QOS技術與實現機制（圖二）

3．流量監管和優先級標記

報文進入交換機后，就按照服務參數自動分配的規則分配了服務參數。但假如這些自動分配的服務參數不符合我們的QOS要求，則需要采用流量監管或優先級標記來達到我們的目的了。

流量監管是基于流的速率限制，它可以監督某一流量的速率，假如流量超出指定的規格，就采用相應的措施，如丟棄那些超出規格的報文或重新設置它們的優先級。注重在8500中，只能對進入交換機的流進行流量監管的配置。

以下為流量監管的命令：

traffic-limit inbound { link-group { acl-number acl-name } [ rule rule ] ip-group { acl-number acl-name } [ rule rule ] } cir cbs ebs [ pir ] [ conform { [ remark-cos ] [ remark-drop-priority ] remark-policed-service } ] [ exceed { forward drop } ]

從命令中可以看出，交換機的流量監管動作中不但包括了限制流量，還可以實現限定流量內的流與超出流量的流分別對待。因為報文在進入交換機后已經著色，也就是已經有了遵守級別，所以對于在限制流量內的流，可根據報文的Conform-Level重新設置丟棄優先級，也可根據“Local-precedence + Conform-level—＞802.1p優先級”映射表來重新設置報文的802.1p優先級。或者，根據“DSCP+Conform-Level—＞服務參數”映射表來重新分配流的服務參數。我們還可以配置對超出流量的報文是繼續發送還是丟棄。此外，流量監管動作中本身也包含了報文的著色處理，其主要是根據流的流量來進行，規則是：小于CIR的報文為綠色，介于CIR與PIR之間的為黃色，大于PIR的為紅色。包的不同顏色分別對應于不同的丟棄優先級。

以下為一個“DSCP+Conform-Level—＞服務參數”映射表的例子：

“DSCP + Conform-level—＞服務參數”映射表

　 Quidway 8500交換機上的QOS技術與實現機制（圖三）

從上圖可以看，交換機依據報文的DSCP和Conform-level重新給報文分配DSCP值、802.1p值、LP值以及丟棄優先級。

相對于上個映射表，“Local-precedence + Conform-level—＞802.1p優先級”映射表就簡單一些了：

“Local-precedence + Conform-level—＞802.1p優先級”映射表

Quidway 8500交換機上的QOS技術與實現機制（圖四）

從上表可看出，交換機依據報文的LP和CL重新給報文分配802.1p值。

在默認情況下，交換機并沒有啟用流量監管，所以上述兩個映射表是不起作用的。假如根據需要啟用了流量監管，則需要我們根據具體情況合理配置這兩個表，以達到我們想要的結果。

優先級標記配置就是為匹配設定ACL的報文重新分配一套服務參數。我們在前面看到，報文一進入交換機就被自動分配了服務參數，但優先級標記所能分配的服務參數更加豐富。

以下為優先級標記的命令：

traffic-priority inbound { link-group { acl-number acl-name } [ rule rule ] ip-group { acl-number acl-name } [ rule rule ] } { auto remark-policed-service { trust-dscp dscp　dscp-value untrusted dscp dscp-value cos cos-value local-precedence local-precedence drop-priority drop-level } }

可以看出，優先級標記配置包括如下動作：使用交換機自動分配的服務參數、根據報文的DSCP值查找映射表為報文重新分配服務參數、根據用戶設定的DSCP值查找映射表為報文重新分配服務參數、用戶自己為報文指定一套服務參數等等。

4．隊列調度與擁塞避免

8500交換機的每個端口支持8個輸出隊列，交換機依據報文的本地優先級進行入端口輸出隊列操作。當網絡擁塞時，必須解決多個報文同時競爭使用資源的問題，通常采用隊列調度加以解決。8500交換機能夠支持SP調度算法和WRR調度算法。

SP調度算法：嚴格按照優先級從高到低的次序優先發送較高優先級隊列中的分組，當較高優先級隊列為空時，再發送較低優先級隊列中的分組。此種調度適合于要害業務，是8500交換機隊列調度的默認算法。

WRR調度算法：隊列之間進行輪流調度，保證每個隊列都得到一定的服務時間。此種調度算法適用于需要為每個流都保證一定帶寬的情況下。

8500交換機還支持隊列調度的編程組合。可以分別設置SP調度組、WRR優先級組1、WRR優先級組2，然后再從這幾個調度組中進行綜合調度，這樣就更加靈活了。

比如，我們可以做做如下的調度：設置隊列0～5的調度模式為WRR，隊列0、1、2加入WRR優先級隊列1，權重分別為20、20、30，隊列3、4、5加入WRR優先級隊列2，權重分別為20、20、40，隊列6、7采用缺省的嚴格優先級調度。

當擁塞發生時，交換機會盡快的丟包釋放隊列資源，同時盡量不將報文放入高延遲的隊列中，以消除擁塞。交換機在接收報文時為報文分配了遵守級別（也可以稱為對報文進行著色）。遵守級別取值為0、1、2，0代表紅色，1代表黃色，2代表綠色。在擁塞發生時，紅色報文將首先被丟棄，綠色報文最后才會被丟棄。

在8500上，擁塞避免的參數和丟棄閥值可以分隊列、分遵守級別進行配置。

交換機支持兩種丟棄算法：

(1)　尾丟棄：當進行報文丟棄時，可以區分隊列設置丟棄閥值。當紅、黃、綠報文分別超過紅、黃、綠隊列的上限隊列長度，系統就開始丟棄上限隊列長度之后的報文。此算法不考慮丟棄級別。

(2)　 WRED丟棄算法：在按照隊列對報文進行丟棄時綜合考慮了丟棄級別。當紅、黃、綠報文分別超過紅、黃、綠隊列的下限隊列長度時，系統就開始以某一斜率丟棄下限隊列長度與上限度列長度之間的報文。當紅、黃、綠報文開始超過它們的上限隊列長度時，系統就開始丟棄上限度列長度之后的所有報文。

尾丟棄的算法是交換機的默認算法，但是會引起TCP全局同步現象。就是在碰到尾丟包時，所有與該流有關的發送者都會因此同時重新發送。這種重新發送的全局同步化，會造成流量忽大忽小，在網絡上產生很大的破壞。而WRED算法能夠隨機地丟棄數據包，將避免使多個TCP連接同時降低發送速度，從而避免了TCP的全局同步現象。當某個TCP連接的數據包被丟棄，開始減速發送的時候，其他的TCP連接仍然有較高的發送速度。這樣，無論什么時候，總有TCP連接在進行較快的發送，提高了線路帶寬的利用率。

5．流量整形

流量整形是對輸出報文的速率進行控制，并對超出流量約定的報文進行緩沖，并在合適的時候將緩沖的報文發送，從而使交換機的輸出流量平滑緩和。流量整形通常是為了是報文速率與下游設備相匹配，以避免不必要的報文丟棄和擁塞。它和流量監管的主要區別在于流量整形是緩存超過速率限制的報文，使報文以均勻的速率發送出去，而流量監管則是丟棄超過流量速率限制的報文。但是流量整形會增加延遲，而流量監管不會引入額外的延遲。

以下為流量整形的命令：

traffic-shape [ queue queue-id ] max-rate burst-size [ queue-depth ]

可以看到，流量整形是比較簡單的，它不涉及到報文的優先級。

小結

綜上所述，流分類是進行QOS的基礎。服務參數自動分配是交換機默認進行的，但其只是基于報文二層信息，雖簡單易用，但功能不夠強大。故在復雜的情況下，可以用流量監管及優先級標記方法來使交換機能夠依據三層信息來分配不同的服務參數，從而流入不同的隊列。而流量監管的功能偏重于對入流量的限制，雖然它也能夠對報文的服務參數進行重新標記，但始終不如優先級那么全面。無論是優先級標記也好，流量監管也好，都必須依靠隊列調度來最終實現QOS。隊列調度是起到了保證優先級高的數據流的服務質量的作用。假如流量過大，交換機還是會發生擁塞，出現擁塞后，交換機需要丟包，傳統的尾丟棄的丟包算法會導致TCP全局同步問題，解決的辦法是采用WRED丟棄算法。而流量整形僅對流出交換機的流起作用，它使輸出的流的速率盡量均勻，從而使下游的設備受益。

上一篇：一個很有實用價值的QoS策略配置實例

下一篇：多業務企業網QoS保障技術