QOS隊列調(diào)度與報文丟棄

• QOS隊列調(diào)度與報文丟棄
• 1、擁塞管理
• 2、擁塞管理技術(shù)
• 2.1、PQ調(diào)度
• 2.2、WRR調(diào)度
• 2.3、DRR調(diào)度
• 2.4、WFQ調(diào)度
• 3、擁塞管理應(yīng)用場景
• 4、擁塞避免
• 5、擁塞避免應(yīng)用場景

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QOS隊列調(diào)度與報文丟棄

前面的優(yōu)先級映射或MQC對報文進(jìn)行分類和標(biāo)記，分類之后要做什么？就是根據(jù)分類的結(jié)果對報文進(jìn)行流量控制處理。擁塞管理和擁塞避免就是兩種流量控制手段。

如下：當(dāng)LSW1上行流量大于接口帶寬時，那么在出方向就有可能發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，此時就需要配置擁塞管理和擁塞避免。

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1、擁塞管理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備能力無法承載各種應(yīng)用對帶寬的需求時，網(wǎng)絡(luò)擁塞無法避免。擁塞管理就是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，通過隊列技術(shù)對流量進(jìn)行管理和控制，優(yōu)先保證某類報文的時延等QOS服務(wù)質(zhì)量。

隊列就好比我們平時去銀行辦理業(yè)務(wù)時需要排隊，假設(shè)銀行只提供一個窗口服務(wù)，當(dāng)出現(xiàn)VIP，VIP的業(yè)務(wù)被優(yōu)先處理，當(dāng)VIP辦理完畢，普通用戶才能繼續(xù)辦理業(yè)務(wù)。

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2、擁塞管理技術(shù)

擁塞管理技術(shù)的基礎(chǔ)是隊列技術(shù)，交換機上每個出接口都有8個列隊，分別為0-7，每個列隊可以緩存一定的報文數(shù)量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時，報文會根據(jù)本地優(yōu)先級與隊列之間的映射關(guān)系，自動將報文流送入不同的隊列。不同的擁塞管理技術(shù)就可以根據(jù)各自的調(diào)度算法，實現(xiàn)對隊列流量按照優(yōu)先級發(fā)送。

下面介紹常用的兩種調(diào)度方式。PQ調(diào)度、WRR調(diào)度。

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2.1、PQ調(diào)度

優(yōu)先隊列PQ（Priority Queuing）調(diào)度。嚴(yán)格按照隊列優(yōu)先級的高低順序進(jìn)行調(diào)度。只有高優(yōu)先級隊列報文全部調(diào)度完畢，低優(yōu)先級才有調(diào)度機會。配置PQ調(diào)度后，按照7-0的優(yōu)先級依次進(jìn)行調(diào)度，發(fā)送報文。

假設(shè)銀行只有一個窗口服務(wù)，用戶根據(jù)自己銀行卡的額度取號排隊時，分為A、B、C三種號，按照級別規(guī)定優(yōu)先級A>B>C。即A號段的顧客優(yōu)先服務(wù)，當(dāng)沒有A，B號段的顧客獲得服務(wù)，依次進(jìn)行。這種方式缺點也很明顯，B和C號段的用戶可能因為長時間得不到服務(wù)而產(chǎn)生強烈不滿。

如圖：隊列優(yōu)先級1>2>3，報文出隊的時候，首先讓高優(yōu)先級中的報文發(fā)送，直到高優(yōu)先級報文發(fā)送完，然后發(fā)送中等優(yōu)先級報文，直到發(fā)送完，在發(fā)送低優(yōu)先級列隊。

如果中級優(yōu)先級在等待過程中，高優(yōu)先級隊列還有報文不停的進(jìn)入隊列，則中優(yōu)先級始終處于等待狀態(tài)。

如果高優(yōu)先級發(fā)送完畢，中優(yōu)先級隊列中報文4、5已經(jīng)發(fā)送完畢，在報文6被發(fā)送之前，高優(yōu)先級隊列又有報文進(jìn)入隊列，則優(yōu)先處理高優(yōu)先級報文。

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2.2、WRR調(diào)度

加權(quán)輪詢調(diào)度WRR（Weight Round Robin）在隊列之間進(jìn)行輪流調(diào)度，根據(jù)每個隊列的權(quán)重來調(diào)度各隊列中的報文流。

如果銀行有3個窗口工作且采用WRR調(diào)度方式，三個窗口權(quán)重比例：50、25、25，按照業(yè)務(wù)熟練程度，VIP窗口處理2位客戶時，另外兩個窗口分別處理一個客戶，這樣保證所有窗口的客戶都可以得到服務(wù)，但是VIP客戶排隊時間更短。

交換機根據(jù)每個隊列的權(quán)值進(jìn)行輪詢調(diào)度。調(diào)度一輪計數(shù)器減1，計數(shù)器減到0的隊列不參加調(diào)度。當(dāng)所有隊列的計數(shù)器減到0時，開始新一輪調(diào)度。詳細(xì)過程如下：

首先計數(shù)器初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

第一次輪詢：
從隊列1取出報文1發(fā)送，Count [1] =1；從隊列2取出報文5發(fā)送，Count [2] =0，從隊列3取出報文8發(fā)送，Conut [3] =0。

第二次輪詢：
從隊列1取出報文2發(fā)送，Count [1] =0；由于Count [2] =0，Conut [3] =0。隊列2和隊列3不參與次輪調(diào)度。
此時，Count [1] =0；由于Count [2] =0，Conut [3] =0，計數(shù)器重新初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

第三次輪詢：
從隊列1取出報文3發(fā)送，Count [1] =1；從隊列2取出報文6發(fā)送，Count [2] =0，從隊列3取出報文9發(fā)送，Conut [3] =0。

第四個輪詢：
從隊列1取出報文4發(fā)送，Count [1] =0，由于Count [2] =0，Conut [3] =0。隊列2和3不參與次輪調(diào)度。

此時，Count [1] =0，Count [2] =0，Conut [3] =0。將計數(shù)器重新初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

從以上統(tǒng)計看，各隊列中的報文被調(diào)度的次數(shù)與該隊列的權(quán)值成正比，權(quán)值越大被調(diào)度的次數(shù)相對越多。如果該端口帶寬為100Mbit/s，則可以保證最低權(quán)重的隊列至少獲得25Mbit/s帶寬，避免了采用PQ調(diào)度時，低優(yōu)先級中的報文可能很長時間得不到服務(wù)的缺點。但是WRR調(diào)度無法保證對時延要求高的業(yè)務(wù)報文優(yōu)先發(fā)送。

PQ調(diào)度和WRR調(diào)度各有優(yōu)缺點，WRR調(diào)度可以根據(jù)相對公平的調(diào)度機制，保證各業(yè)務(wù)都能得到一定的服務(wù)，但是對低時延業(yè)務(wù)無法保證及時調(diào)度。PQ調(diào)度可以保證低時延業(yè)務(wù)及時調(diào)度，但是存在低優(yōu)先級業(yè)務(wù)一直無法被調(diào)度情況。因此，實際組網(wǎng)中通常使用PQ WRR混合調(diào)度方式來實現(xiàn)擁塞管理。通常將對時延要求較高的業(yè)務(wù)流量進(jìn)入的隊列配置PQ調(diào)度，其他隊列配置為WRR調(diào)度。當(dāng)PQ隊列有流量時，優(yōu)先處理。PQ隊列沒有流量在按照WRR隊列進(jìn)行調(diào)度。

對于盒式交換機，如果配置PQ WRR混合調(diào)度，只需要將配置PQ調(diào)度的隊列權(quán)重配置為0即可。

假設(shè)需要配置隊列1為PQ調(diào)度，隊列2和隊列5為WRR調(diào)度。以S5720EI為例。

[LSW1] interface GigabitEthernet 0/0/3
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos wrr
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos queue 1 wrr weight 0 //配置隊列1為PQ調(diào)度
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos queue 2 wrr weight 40
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos queue 5 wrr weight 60

對于框式交換機，如果要配置PQ WRR混合調(diào)度，只需要將對應(yīng)的隊列設(shè)置為PQ調(diào)度。

[LSW1] interface GigabitEthernet 1/0/3
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos pq 1 //配置隊列1為PQ調(diào)度
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos queue 2 wrr weight 40
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos queue 5 wrr weight 60

除了上述調(diào)度，交換機還支持DRR、WFQ等多種擁塞管理方法。

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2.3、DRR調(diào)度

DRR（Deficit Round Robin）調(diào)度也是循環(huán)調(diào)度，但是相對于WRR只考慮報文個數(shù)的問題。DRR同時考慮報文的大小，在調(diào)度過程中考慮包長因素以達(dá)到調(diào)度速率公平性。DRR調(diào)度中，Deficit表示隊列的帶寬赤子，初始值為0。每次調(diào)度前，系統(tǒng)按權(quán)重為各隊列分配帶寬，計算Deficit值，如果隊列的Deficit值大于0。則不參與調(diào)度。

假如我們規(guī)定銀行3個窗口根據(jù)現(xiàn)金額度來辦理業(yè)務(wù)，按照2：1：1權(quán)重為VIP窗口和兩個普通窗口分配現(xiàn)金，現(xiàn)在每輪為VIP客戶分配5000元現(xiàn)金，為普通窗口分配2500元現(xiàn)金。

第一輪：VIP客戶提取10000元，但是2個普通用戶分別提取2000元，則VIP窗口在辦完第一輪業(yè)務(wù)后剩余額度為-5000，普通窗口額度分別為500元。

第二輪：VIP窗口分配5000元，額度為0，普通分配2500元額度為3000。因此在第二輪VIP窗口不辦理業(yè)務(wù)，普通窗口辦理業(yè)務(wù)。

如此循環(huán)調(diào)度的話，DRR調(diào)度還是沒能解決WRR調(diào)度中低延時需求業(yè)務(wù)得不到及時調(diào)度的問題。

單采用DRR調(diào)度的話，對于時延需求的業(yè)務(wù)如語音視頻，得不到優(yōu)先調(diào)度，如果將兩種方式結(jié)合起來PQ+WDRR調(diào)度，不僅能發(fā)揮兩種調(diào)度優(yōu)勢，還能克服兩種調(diào)度的各自缺點。

和PQ+WRR調(diào)度一樣，接口上的8個隊列可以分為兩組，用戶可以指定其中的某幾組隊列進(jìn)行PQ調(diào)度，其他進(jìn)行WDRR調(diào)度。

在調(diào)度時，首先按照PQ優(yōu)先調(diào)度7-5隊列，等全部調(diào)度完畢，才開始以DRR調(diào)度4-0。

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2.4、WFQ調(diào)度

公平隊列FQ（Fair Queuing）的目的是盡可能公平的分項網(wǎng)絡(luò)資源，使所有流的延遲和抖動達(dá)到最優(yōu)。

不同的隊列獲得公平的調(diào)度機會，總體上均衡各個流的延遲。短報文和長報文獲得公平調(diào)度，如果不同隊列間同時存在多個長報文和短報文等待發(fā)送。讓短報文優(yōu)先獲得調(diào)度，總體上減少各個流的報文間的抖動。

與FQ相比，WFQ（Weighted Fair Queue）在計算報文調(diào)度次序時增加了優(yōu)先權(quán)方面的考慮，從統(tǒng)計上，WFQ使高優(yōu)先權(quán)的報文獲得優(yōu)先調(diào)度的機會多于低優(yōu)先級的報文。

WFQ調(diào)度在報文入隊列之前，先對流量進(jìn)行分類，兩種方式分類：

1、按流的會話信息分類

根據(jù)報文的協(xié)議類型、源和目的TCP或UDP端口號、源和目的IP地址，ToS域中的優(yōu)先級位等自動進(jìn)行分類，并且盡可能多的提供隊列，以將每個流均勻的放入不同的隊列中，從而在總體上均衡各個流的延遲，在出隊列時，WFQ按流的優(yōu)先級來分配每個流應(yīng)占有的帶寬。優(yōu)先級越小，獲得帶寬越少，反之。這種方式只有CBQ的Default-class支持。

2、按優(yōu)先級分類

通過優(yōu)先級映射把流量標(biāo)記為本地優(yōu)先級，每個本地優(yōu)先級對應(yīng)一個隊列號，每個接口預(yù)分配8個隊列，報文根據(jù)隊列號進(jìn)入隊列。默認(rèn)，隊列的WFQ權(quán)重相同，流量平均分配接口帶寬。用戶可以修改權(quán)重，高優(yōu)先權(quán)和低優(yōu)先權(quán)按權(quán)重比例分配帶寬。

WFQ調(diào)度圖

PQ+WFQ調(diào)度和PQ+WRR相似，采用PQ，低優(yōu)先列隊中報文長期得不到帶寬，而單純采用WFQ調(diào)度時對時延需求業(yè)務(wù)語音得不到優(yōu)先調(diào)度。

PQ+WFQ調(diào)度

在調(diào)度時，首先按照PQ方式優(yōu)先調(diào)度7-5隊列中報文流，只有這些隊列報文全部調(diào)度完畢，才開始以WFQ方式調(diào)度4-0隊列中的報文流。4-0隊列包含自己的權(quán)值。

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3、擁塞管理應(yīng)用場景

擁塞管理可以實現(xiàn)對不同的業(yè)務(wù)按照不同的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，在QOS方案部署中比較常用。

在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)共享同一網(wǎng)絡(luò)的多種業(yè)務(wù)競爭相同的資源時，可能會產(chǎn)生擁塞，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)無法得到保證，此時用戶可以為語音、視頻和數(shù)據(jù)等多種不同業(yè)務(wù)標(biāo)記不同的優(yōu)先級，報文根據(jù)不同優(yōu)先級進(jìn)入不同隊列的調(diào)度算法，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的差分服務(wù)。

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4、擁塞避免

擁塞避免（Congestion Avoidance）是指通過監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)資源（如隊列或內(nèi)存緩沖區(qū)）的使用情況，在擁塞發(fā)生或有加劇的趨勢時主動丟棄報文，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的流量來解除網(wǎng)絡(luò)過載的一種流控機制。

兩種丟棄報文方式：尾部丟包策略和WRED

1、傳統(tǒng)的尾部丟包策略

傳統(tǒng)的丟包策略采用尾部丟棄（Tail-Drop）的方法。當(dāng)隊列的長度達(dá)到最大值后，所有新入隊列的報文（緩存在隊列尾部）都將被丟棄。

這種丟棄策略會引發(fā)TCP全局同步現(xiàn)象，導(dǎo)致TCP連接始終無法建立。所謂TCP全局同步現(xiàn)象如圖，三種顏色表示三條TCP連接，當(dāng)同時丟棄多個TCP連接的報文時，將造成多個TCP連接同時進(jìn)入擁塞避免和慢啟動狀態(tài)而導(dǎo)致流量降低，之后又會在某個時間同時出現(xiàn)流量高峰，如此反復(fù)，使網(wǎng)絡(luò)流量忽大忽小。

2、WRED

為避免TCP全局同步現(xiàn)象，出現(xiàn)了RED（Random Early Detection）技術(shù)。RED通過隨機地丟棄數(shù)據(jù)報文，讓多個TCP連接不同時降低發(fā)送速度，從而避免了TCP的全局同步現(xiàn)象。使TCP速率及網(wǎng)絡(luò)流量都趨于穩(wěn)定。

流隊列支持基于DSCP或IP優(yōu)先級進(jìn)行WRED丟棄。每一種優(yōu)先級都可以獨立設(shè)置報文丟包的上下門限及丟包率。當(dāng)隊列中報文的總長度達(dá)到丟棄的下限時，開始丟包。隨著隊列中報文總長度的增加，丟包率不斷增加，最高丟包率不超過設(shè)置的丟包率。直至隊列中報文的總長度達(dá)到丟棄的上限，報文全部丟棄。這樣按照一定的丟棄概率主動丟棄隊列中的報文，從而在一定程度上避免擁塞問題。

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5、擁塞避免應(yīng)用場景

擁塞避免可以在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞、或者擁塞加劇時，主動丟棄優(yōu)先級較低的報文，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)流量，緩解網(wǎng)絡(luò)壓力，以保證高優(yōu)先級報文正常通過。

當(dāng)兩個局域網(wǎng)用戶需要通過廣域網(wǎng)進(jìn)行通信時，由于廣域網(wǎng)帶寬小于局域網(wǎng)的帶寬，位于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間的邊緣交換機將發(fā)生擁塞，此時可以通過配置擁塞避免，主動丟棄優(yōu)先級較低的報文（比如數(shù)據(jù)報文等），減少網(wǎng)絡(luò)的擁塞，保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)正常運行。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的八、QOS队列调度与报文丢弃的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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