华为HCIE课堂笔记第十六章 Qos基本原理

本文介绍: Qos服务质量

第十六章 Qos基本原理

16.1 Qos背景

Qos：在带宽有限的情况下，为不同的业务需求，提供不同的网络的服务质量。

影响Qos的不同的因素：

带宽，链路在单位时间可以传输数据的bit数量，单位bps
1. 一般上传下载速度为带宽/8，即100M带宽显示速度理论值12.5MB/s
延迟：报文从一端发出，从另一端接受到经过的时间
1. 处理时间：设备对报文查表等处理的时间
2. 队列时延：报文在出口队列中等待发送的时间
3. 串行化时延：报文形成bit流，从接口发出时，第一个bit到最后bit发完总共需要的时间。
4. 传输时延：报文在介质上传输的时间。
丢包率：数据包转发过程中出现丢弃的概率
抖动：网络传输数据包，接收端接收报文存在顺序不一致的情况，变化较大，则认为抖动比较明显。
可用性：网络是否可用。

16.2 Qos技术

16.2.1 服务模型

尽力而为模型：数据转发过程中没有服务质量相关的部署，所有的报文按照先后顺序进行转发，不提供质量保障。
综合服务模型：
1. 应用转发数据包的之前需要申请带宽预留，申请的带宽预留除自己可用，其他应用不能使用
2. 部署非常复杂
区分服务模型：Qos，通过对报文进行分类，对每一类的报文进行标记，根据标记实现对不同类的报文提供不同的服务质量，时延，丢包率，优先转发。
1. DS边缘节点：区分服务域边缘节点，区分服务域有一系列Qos设备组成
2. 实现方式：
  1. DS边缘设备的入接口进行流量分类，给不同类的流量打上不同的标记。
  2. DS节点的入接口信任该标记类型，后续DS域中按照该标记为流量提供服务质量。

16.2.2 Qos的常用技术

限速技术
拥塞管理技术
拥塞避免技术

16.3 流量分类

16.3.1 简单流分类

概念：

外部优先级：指报文携带的优先级值

内部优先级：报文在设备内的服务等级

两个优先级，可以通过修改映射表进行调整，不同的外部优先级报文，可以指定进入设备后的内部优先级
接口队列：传统Qos接口存在8个队列，内部优先级与队列编号一一映射，内部优先级7的报文对应队列7号，不可以修改改映射关系。

外部优先级：报文中携带的标记
1. VLAN 字段中的PRI：取值范围是0-7，名字802.1p
2. MPLS 头部中的EXP：取值范围是0-7
3. IP头部中的Tos字段（8bit）：两种不互斥的
  1. 标记方式1：IP-P，占用3bit，表示范围0-7，高3bit位
  2. 标记方式2：DSCP值，占用6bit，表示范围0-63，高6bit位

DSCP值标记：数字和名字表示方式
1. 定义了4个PHB（每一跳动作）：CS（类选择器），EF（快速转发），AF（确保转发），BE（尽力而为）
2. AF11、AF12、AF13、AF21到AF43，AF对应的DSCP值的映射关系是AFXY值=DSCP值8x+2y
3. CSx值=DSCP值（8x）
总结：简单流分类是按照报文已有的标记对报文进行Qos处理

16.3.2 复杂流分类

在DS边缘设备的入方向上，通过数据报文的五元组，采用MQC模块配置，实现对报文的重标记，或者其他的Qos处理。后续DS域中的节点可以根据重标记后的报文标记值进行简单流分类。

为什么没有EXP-DSCP

16.4 拥塞管理

拥塞管理：网络发生拥塞的时候，对流进行管理和控制，采用队列技术。

16.4.1 队列技术

队列技术：通过一定的调度算法，从队列中提取数据报文给出接口进行转发
1. Qos Q-profile 传统的Qos工具，对应的下行出口存在8个队列（0-7号队列）
2. CBQ队列，华为设备支持的自行开发的队列，4个队列（AF、EF/LLQ、BE）
队列调度算法：
1. FIFO：先进先出算法，在队列内，收到的报文，按照谁先到，谁先出的原则，发送
2. SP：严格优先级算法，在队列间进行报文调度的时候，按照队列的优先级严格调度。如：7,6,5三个队列采用SP算法，则优先调度优先级最高的7号队列，7号队列发送完毕在调度6队列，6号发送完毕调度5号队列，如果5号队列正在调度，7号队列有报文进入，则重新调度7号队列。时时刻刻调度最高优先级的队列。
  1. 缺点：低优先级队列可能出现“饿死”现象，不能得到及时调度。
3. WFQ：加权公平队列，在队列间的报文调度的时候，按照队列配置的加权值，进行报文调度，权值越大，队列调度的机会越大（占用的带宽就越大）。
  1. 缺点：低延时的报文不能保证低延迟（绝对优先级的报文得立即调度）
4. 调度算法组合：SP+WFQ，6,7号队列是SP算法，0-5号是WFQ算法
  1. 此时6,7号队列拥有绝对优先级的调度机会，6,7号队列中不存在报文的时候，才会按照WFQ算法调度剩余的0-5号队列。
    1. SP算法的队列中经常给到占用带宽不大（绝对优先级，会抢占其他队列带宽），要求延时小（立即调度，减少时延）的业务使用。
    2. WFQ算法的队列用途：保证业务带宽，给到业务带宽比较大的业务使用。
调度方式：传统Qos接口的软件队列0-8队列，可以加入到以下三种队列（组）中，进行Qos的报文调度。
1. PQ队列（组），采用的SP调度算法，PQ队列中可以存在多个软件队列，按照严格优先级进行调度。
2. WFQ队列（组），采用WRR、WDRR、WFQ算法（都是存在加权值，按照加权值分配带宽），WFQ队列中可以存在多个软件队列，多个软件对垒按照WFQ算法进行调度。
3. LPQ队列（组），采用SP调度算法，LPQ队列也可以存在多个软件队列，按照SP算法，调度组内不同队列中的报文。
4. PQ和LPQ都是采用SP算法，不同点是LPQ拥塞时不能抢占带宽。
5. PQ、WFQ、LPQ队列（组）之间的调度算法采用SP算法：先调度PQ队列，再调度WFQ队列、最后调度LPQ
  1. PQ多用于将语音等低延迟，低带宽的流量加入到该队列（组）中
  2. WFQ多使用与需要带宽保障，确保转发的的业务报文加入到该队列（组）中
  3. LPQ队列用于BE的流量加入，当PQ和WFQ带宽分配存在空闲带宽，则交给LPQ调度BE的流量。

16.4.2 拥塞管理配置

基于队列技术的拥塞管理（传统的Qos）
1. DS边缘设备配置复杂流分类对流量进行分类并重标记
2. DS设备根据DSCP进行Qos部署（简单流分类）
  1. 入接口需要配置信任DSCP值，对应的DSCP值的报文才会进入到对应LP的队列中。
  2. 如果需要调整报文进入到对应的队列，则需要调整DSCP值与本地优先级的映射关系。
3. DS设备上配置Qos-Queue-profile工具，将对应的队列加入到PQ、WFQ、LPQ中，WFQ队列需要配置权重值分摊带宽，在出接口上调用该工具。实现报文的差分服务
基于MQC的拥塞管理
1. 队列：
  1. EF/LLQ队列：适用于语音等低延迟低带宽要求的流分类。LLQ比EF具有跟小的带宽，当链路拥塞的时候，EF可以抢占空闲带宽。该队列优先级最高，需要配置最大的指定带宽。类似传统Qos 的PQ队列
  2. AF队列：适用于大带宽保证转发的业务。AF队列中可以包含多个类，每个类中可以配置指定的最小带宽，保证业务转发的带宽。
  3. BE队列：不满足所有其他的分类的流量归于该默认类，可以将默认类设置为AF队列，也可以将默认的BE队列。BE队列采用WFQ调度算法。
2. 配置:
  1. 流分类对报文进行分类，流行为指定分类后的报文的队列，流策略绑定流分类和流行为
  2. 参考命令：带宽设置有两种，绝对值和空闲带宽百分比

traffic behavior OA

queue llq bandwidth 30 //在流行为视图下，配置与该行为绑定的流量分类加入到LLQ队列（EF），设置最大带宽30kbit/s

traffic behavior FTP

queue af bandwidth pct 10 //在流行为视图下，配置与该行为绑定的流量分类加入到AF队列中，设置最小带宽保障业务带宽需求。

traffic policy Qos

classifier default-class behavior def //在流策略的视图下，设置默认的分类（系统原有匹配所有缺省类）与行为绑定（类名字def是用户自定义，且设置队列为WFQ（BE队列））

16.5 拥塞避免

16.5.1 拥塞产生的原因：

带宽不匹配，发送报文方的带宽，链路的带宽减小，导致出接口无法及时发送高速接受到的报文。
接口带宽已知，但是流量都汇聚到一个接口发出（内网出口），收到的报文的数量所需带宽要大于出接口的带宽，

16.5.2 拥塞产生后的影响

丢弃策略：
1. 尾丢弃：如果没有配置早期随机检测，则当网络出现拥塞，队列缓存已满，则接收的报文将在进入队列前全部丢弃。
  1. TCP全局同步：当拥塞发生，TCP所有的连接，将同时降低滑动窗口字段的值，控制TCP的传输速度，网络不在拥塞，TCP连接进入慢启动过程，逐步提高TCP连接的报文传输速度，循环往复。该过程中，会造成TCP的所有连接传输报文的速度同步升高，同步降低，造成链路资源浪费。
  2. TCP连接“饿死”现象：拥塞发生TCP降低连接的速度，此时UDP报文没有传输速度控制机制，UDP则利用TCP让出来带宽，再次造成网络拥塞，TCP会再一次降低连接速度，UDP再次占用，循环往复，造成TCP连接“饿死”现象。
  3. 无差别丢弃：超出队列缓存的报文进行无差别丢弃，不区分报文的优先级。
2. RED：当网络趋向于拥塞的时候，可以使用RED（早期随机检测）提前丢弃报文，延缓网络出现拥塞
  1. 队列长度到达低门限的时候，开始随机丢弃报文，到达高门限，则执行尾丢弃，从而延缓了TCP的全局同步（随机丢弃的报文中，属于不同的TCP连接，TCP连接的速度不会同时到达最大）
3. WRED：根据报文的优先级，在拥塞发生之前，提前对报文进行有差别的丢弃。
  1. 按照报文优先级或者队列优先级，分别设置低门限，高门限，某队列长度到达低门限，则开始丢弃。高优先级报文（队列）低门限设置的更高，使得高优先级报文晚于低优先级报文丢弃的时间。避免TCP同步
拥塞避免配置方式：两种
1. 基于Qos丢弃模版配置
  1. 参考命令见PPT
2. 基于MQC配置
  1. 参考命令见PPT

16.6 限速

16.6.1 令牌桶技术

单桶单速双色标记法：C桶（单桶）
1. 概念：
  1. CIR：承诺信息速率，向令牌桶中按照该速率放置令牌，单位Kbps
  2. CBS：报文的突发尺寸，允许报文的转发时的突发长度尺寸，表示令牌桶的尺寸，令牌桶中初始的令牌数量为该CBS值，即桶的容量。
2. 工作机制：
  1. Tc值：表示令牌桶中现有的令牌数量，初始情况（没有发送报文之前）Tc值=CBS（桶内令牌是满的）
  2. B值：代表要转发的报文的长度尺寸
  3. 工作机制：
    1. 按照CIR匀速的速度持续向令牌桶中放置令牌，桶中令牌数量超出CBS，则溢出（Tc值不能大于CBS）。
    2. 要转发报文之前查看报文的长度B，判断B是否小于Tc值
      1. 如果B<Tc值，则将报文标记为绿色转发，且Tc值（桶内剩余的令牌数）减少B
      2. 如果B>Tc值，则报文标记为红色，丢弃，不转发。桶内的令牌不减少。
双桶单速三色标记法：
1. 两个桶：C桶、E桶
2. 三种颜色标记报文：绿黄红
3. 概念：CBS和EBS关注的时数据流的大小
  1. CBS：与单桶单速相同，C桶的容量（令牌最大数量）承诺突发尺寸。单位Byte
  2. EBS：E桶的容量（令牌最大数量），峰值突发尺寸，单位Byte
  3. CIR：承诺信息速率，关注的流量发送的承诺速率。单位Kbps
4. 工作机制
  1. Tc=C桶中现有的令牌数量，初始情况，Tc=CBS
  2. Te=E桶中的现有令牌数量，初始情况，Te=EBS
  3. 工作机制：
    1. 以CIR的速率持续向C桶中投放令牌，当C桶的令牌数量达到CBS，溢出，溢出令牌放入到E桶中，当E桶的令牌数量溢出，则丢弃。
    2. 收到报文，查看报文的大小，值为B：比较B与桶内令牌数量：
      1. 如果B<Tc，则将报文标记为绿色，并发送，C桶剩余容量Tc减少B
      2. 如果B>Tc，（C桶中剩余令牌不够），此时比较B与Te大小（查看E桶中是否有足够令牌）：
        
        如果B<Te，则报文标记为黄色，默认发送，并将E桶中令牌数Te减少B
        
        如果B>Te，则报文标记为红色，丢弃报文，E桶中令牌数量Te不减少。
双桶双速三色标记法
1. 双桶：P桶、C桶
2. 双速：PIR、CIR
3. 颜色：绿黄红
4. 概念：
  1. PBS：峰值突发尺寸，P桶的容量单位Byte
  2. CBS：承诺突发尺寸，C桶的容量
  3. PIR：峰值突发速率单位Kbps
  4. CIR：承诺信息速率 CIR<PIR
5. 工作机制
  1. Tp=P桶中的剩余的令牌数量，初始Tp=PBS
  2. Tc=C同种剩余的令牌数量，初始Tc=CBS，CBS<PBS
  3. 工作机制：
    1. 放置令牌：以PIR的速率向P桶中持续放置令牌，超出PBS令牌会溢出；以CIR的速率向C桶中持续放置令牌，超出CBS令牌会溢出。
    2. 收到报文后，检查流量报文的大小，值为B，首先比较B与P桶的剩余令牌数Tp
      1. 如果B>Tp，报文标记为红色，Tp值不减少
      2. 如果B<Tp，继续比较B与Tc的值大小：
        
        B>Tc，则报文被标记为黄色，Tp减少B
        
        B<Tc，则报文标记为绿色，Tp和Tc都减少B
三种方式的区别
1. 单桶单速双色标记法：不关注突发速率，仅关注突发流量尺寸 C桶
2. 双桶单速三色标记法：关注峰值突发尺寸，不关注突发速率 C桶 E桶
3. 双桶双色三色标记法：即关注报文的突发峰值尺寸，也关注突发的峰值速率。 P桶 C桶