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【NE探秘】一个报文的路由器之旅 - (4) QoS基础

TCP/IP
2022-10-13
1455
更新：2022-10-14 09:30:58

> 路由器的转发层面，涉及到简单流分类、复杂流分类、流量监管CAR、队列和缓存，这些都是QoS里的概念。因此，为了更好的理解这些概念，特此介绍QoS的基础知识。
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QoS是Quality of Service（服务质量）的简称。

# 为什么需要QoS

通常，新商品刚出来时，用户和厂家不怎么关心质量问题。但出现了同类产品以后，用户就开始挑了，于是，商品就和质量挂钩了。IP网络也不例外。IP网络刚出现的时候，是“尽力而为”的，没有服务质量保证。你只知道报文发出去了，至于能不能到，什么时候到，就靠你运气了。这时的IP QOS，被称为“**尽力而为**”模型。

但随着技术的进步、竞争的加剧，客户的要求越来越高，IP网络提供有质量保证的服务是大势所趋。为此，出现了许多IP QoS服务模型，其中比较突出的有2种：集成服务（IntServ）模型和差分服务（DiffServ）模型。

#  集成服务模型

集成服务模型，要求用户要**事先申请**，声明想要什么样的服务，网络在资源满足的情况下，**预留资源**以满足该请求。就像旅游巴士一样，能保证每个人都有座位，但是有的车没坐满也照常开，座位空着就空着了。

而且，车辆服务方也要为此维护大量订车信息：

所以，集成服务模型从上世纪90年代中叶提出至今，没有在IP网络中商用过。目前IP网络**广泛使用的是差分服务模型**。

#  差分服务模型

差分服务，其实就是将网络中的流量**分成多个类，不同的类采用不同的处理**。也就是说，先对流量分类，然后把类别标记在报文头中，通过报文携带到网络上，网络各节点只需要简单地识别报文中的这些标记，进行相应的处理。好比你去坐火车，火车票就是用来标记你所要享受的服务，是软卧、硬卧、硬座还是无座。火车票你随身携带，上车时你根据火车票进入对应的车厢，享受相应的服务：进入卧铺车厢的，可以舒服的躺着，进入硬座车厢，表示要坐着或站着。报文头里的那些标记就相当于“火车票”。

# DSCP与PHB

DSCP和PHB是差分服务里两个很重要的概念。理解差分服务，先从这两个概括开始。

## DSCP

前面说过，报文头里的那些标记就相当于“火车票”。那么，报文头有很多，二层的帧头、2.5层的MPLS头、3层的IP头，那些标记到底是标在哪层里呢？其实，每层都有标记，对应的标记分别被称为802.1P，EXP、DSCP。

为啥每个层都要有这个标记呢？因为报文在网络中传输，中间可能要经过二层以太网、MPLS网络、IP网络等，不同网络转发行为不一样，比如二层，网络节点只分析以太帧头，不会再去分析里面的MPLS头或IP头了。

除了802.1P，EXP、DSCP，书上说还有一种标报文头里的那些标记就相当于“火车票”记叫ToS，它又是虾米东东呢？其实，ToS也是IP头里的字段。IP头的经历也比较坎坷，最初，标准定义的IPv4报文头，并没有DSCP，而是有个8bit的ToS域，且前三位才是表示优先级的，即Precedence，一共才8种等级。

后来，标准重新定义了这个域，将保留位的其中一比特定义为C比特位，并将D、T、R和C共4个比特位称为ToS域。所以提ToS，得区分是哪个标准的。华为路由器遵从的是RFC 1349。

再后来，标准又重新定义了这个8比特，把前6位改名为DSCP。

## **PHB**

PHB是Per Hop Behavior的缩写，即每跳行为，即设备对报文的处理。可能有人理解为PHB就是调度、丢包、监管、整形、重标记等动作，实际上不完全是，这些动作是设备具体的行为，而PHB只定义了一些外部可见的转发行为，并没有指定特定的实现方式。说白了，PHB就是将各种行为，概括成几类。就如同星级酒店的标准，可以有3、4、5这样的星级。RFC定义了四类标准的PHB，并用CS、EF、AF、BE这些符号来表示，每类PHB都对应一组DSCP。其实，**PHB这样分类，是根据那些可见的服务特征，如时延、抖动或丢包率**。

CS、EF、AF、BE！没错，我们经常见到它们。

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">**BE**，没有质量保证，一般对应于传统的IP分组投递服务，只关注可达性，其他方面不做任何要求。IP网络中，缺省的PHB就是BE。任何路由器都必须支持BE PHB。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;"> **AF**，代表带宽有保证、时延可控的服务，适用于视频、语音、企业VPN等业务 。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">**EF**，低时延、低抖动、低丢包率，对应于实际应用中的视频、语音、会议电视等实时业务。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">**CS**，因为现网有些存量设备不支持差分服务，只解析DSCP前3位，为了后向兼容，标准预留了所有格式为XXX000的DSCP值 ，这类值就对应为CS PHB。
</span>

可是，大家经常看到的是，AF**带有后缀的**，比如AF11、AF21等，CS也有CS6、CS7等，而BE、EF都**不带后缀**。这怎么回事呢？那是因为，BE和EF对应的只有唯一的一个DSCP值，CS和AF有多个DSCP值与之对应。例如AF，被细分为4个等级，且每个等级有3个丢弃优先级，其表达形式为：AF1x-AF4x（x代表丢弃优先级，取值为1-3）。

举个例子来说明AF怎么用。假设有4个小区的网络，接入到ISP的同一台边缘路由器。如果某个小区发送了大量的FTP数据，可能导致拥塞，干扰其他小区的FTP传输。为了公平，约定每个小区FTP总速率不能超过500Mbps。但有时他们可随意发送，甚至会超过1Gbps。怎么办呢？可以在每个入接口上（用CAR）监测FTP速率，并重标记报文的DSCP。如果速率小于等于500Mbps，标记为AF11，如果速率在500Mbps~1Gbps之间，标记为AF12，如果速率超过1Gbps，标记为AF13。当拥塞发生时，优先丢弃AF13，其次AF12，AF11就会在最后被丢弃。皆大欢喜。

**PHB = 服务质量？**

PHB体现的是等级的高低，而不是服务质量(QoS)的好坏**，不能说CS的等级最高，服务质量最好；BE等级最低，质量最差。**PHB只是逐跳行为，而服务质量是端到端的**。服务质量，通常用如下参数来衡量：
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">带宽/吞吐量
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">时延
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">时延变化（抖动）
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">丢包率
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">可用性
</span>
除了PHB，还有很多个因素会影响服务质量，例如链路带宽、设备处理性能、网络的稳定性、传输距离，……

**PHB = 队列？**

华为路由器上的队列名称，也叫BE、AF1、AF2、AF3、AF4、EF、CS6、CS7。是否就是PHB？

其实，队列不等同于PHB，即队列的名称不代表服务等级的高低。举个例子，假如某车厢是硬座车厢，一开始被称为“硬座”车厢，如果把该车厢里的座椅全改装成硬卧铺位，那么该车厢虽然叫“硬座”车厢，实际的PHB是“硬卧”。
队列也可以做类似改装，例如将BE队列配置为SP调度（当然一般不会这么做^_^），其余队列配置为WFQ调度，则BE队列的服务等级比其余7个都高，其PHB不再是BE了（SP、WFQ的概念下面的“队列机制”会介绍）。是不是已经很晕了，既然队列名称不代表PHB，那为啥要这么要跟PHB取相似的名字呢？其实，这是为了更方便、更直观看出各队列优先级的相对高低。这总比队列1、队列2、……队列8这样命名强一些吧。

## **如何根据DSCP入队列？**

可能有人会有疑问，802.1P和EXP都是3比特，刚好8个值，对应8个PHB或8个队列，那DSCP有64个值，怎么和8个PHB/队列对应呢？这个是“简单流分类”考虑的事。

## **简单流分类（入映射与反映射）**

简单流分类，其实一点都不简单。之说以叫“简单流分类”，是因为它的分类规则，相对于“复杂流分类”而言更简单而已。简单流分类，是采用简单的规则（例如，只根据IP报文的优先级标记字段，如IP的DSCP、MPLS的EXP或VLAN的802.1p），对报文进行粗略的分类。而复杂流分类，采用的分类规则稍微“复杂”一点，可以根据除了优先级标记之外的字段（例如，五元组，MAC、协议号、label、TTL等等），对报文进行精细的分类。

前面说过，差分服务是先分类，打标记，然后再进行各种PHB动作。然而，无论哪种流分类，都是根据报文头的字段进行的分类，而报文头的这些字段值需要解析报文才能获得。不可能每次QoS动作，比如入队列、丢包，调度出队等，都去解析报文头吧。

因此，设计师们想了个巧妙的办法：在设备内部为每个报文设置了两个内部标记：Service-Class和Color，对应服务等级（也称为调度优先级）和丢弃优先级。设备在解析报文头的时候，根据报文头的优先级来设置这两个内部标记。这样，设备在执行各种QoS动作时，读取这两个标记就行了。也就是说，设备的各种QoS动作都是围绕这两个内部标记进行的。

IP网络中，缺省的PHB就是BE， 所以这两个内部标记初始值设为<BE, Green>。初始化之后，如果入接口配置了trust upstream命令，则设备上行单板（接口入方向）解析报文时，会根据报文优先级，对照入映射表来重新设置<Service-Class, color>，这一过程称为“入映射” 。

如果对报文配置remark，或者car后remark，无论在入接口或出接口，设备都会去修改<Service-Class, color>。之后，设备根据<Service-Class, color>来对报文进行队列调度等一系列QoS动作。这些QoS动作做完之后，设备下行单板（接口出方向）还要做一个动作：根据内部优先级修改报文优先级，这个过程称为“反映射”。当然，反映射也是可选的配置，毕竟有些场景是不希望改变报文优先级的。

## **复杂流分类（流策略）**

复杂流分类，可以采用复杂的规则，如由五元组，对报文进行精细的分类。分类之后，要和动作关联起来才有意义。将流分类和对应的流动作关联，就是流策略。流策略在配置上采用“模板化”方式，“模板化”的最大优点是可以节省配置，支持批量修改。

流策略“模板”分为三部分：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">流分类（Classifier）：用if-match语句设定流分类的匹配规则。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">流动作（Behavior）：定义针对该类流量实施的流动作，例如重标记、重定向、负载分担、报文分片、流量限速、流量统计等等。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">流策略（Policy）：将流分类Classifier和流动作Behavior关联，设置完毕后还需要应用到流量的入接口/出接口。
</span>

#  **拥塞管理（队列机制）**

除了流分类和标记，差分服务比较优秀的地方还有**强大的队列技术**。当网络拥塞，也就是进来的报文太多，设备处理不过来，就让报文排队。日常生活中，求大于供时，基本也用“排队”解决的。不过差分服务的队列技术比现实生活的强大多了。就拿医院排队挂号做例子吧，华为路由器每个端口都设有8个队列，相当于8个挂号窗口。

## **队列调度算法**

对于同一个窗口，先来先服务，也就是**先进先出FIFO**（First In First Out）。但是对于设备的一个接口，同一时间只能处理一个队列，不像医院每个窗口都坐着一个人。也就是说，对于8个窗口，同一时间只有一人，那么哪些窗口的先处理呢？可以有很多“猫腻”――**队列调度算法**。

比较著名的队列调度算法，比如**严格优先调度SP（ Strict Priority）**，相当于医院挂号处设一些VIP窗口，让一些腿脚不便的人能尽快办完，只有VIP窗口的办完了才办理其他窗口。如果哪天来一堆腿脚不便的，其他窗口就办不了了。所以路由器对于高优先级的队列，都限制了带宽，防止其他队列“饿死

其实，比较公平的做法是每个队列轮着来，即**轮询调度RR（Round Robin）**算法，但有些人一次挂几十个号，所以最好是每人每次限挂一个号。但是，这对一次挂好几个号的非常不方便了，轮一圈才挂一个号，那要挂几个号就得轮几圈才能办完，等的时间太长了。所以科学家又发明了一种算法，给队列设立权重。假设有3个非VIP队列，权重分别设为5:3:1，你多交点钱，到权重为5的队列去，一次给你挂5个号，很省事。这种算法很常用，叫**加权公平队列WFQ（ Weighted Fair Queuing）**算法。

队列调度算法还有很多，不一一介绍了……（此处省略5万字），这是路由器比医院挂号机制强的地方。

## **拥塞避免（丢弃策略）**

在医院，为了预防医生处理不完，就限定数量和时间，比如每天的挂号200个，而且限定早上7点~11点，下午2点~4点，其他时间不受理。而路由器处理的是网络报文，虽然路由器无时不刻地劳作，但网络突发性很强，经常拥塞，眼看着队列都快排到大门口了，怎么办呢？这时候，路由器就会动用他的秘笈――“丢包”策略。

目前有两种丢弃策略，一种是“**尾丢弃**”。“尾丢弃”就是在网络拥塞时把新到的报文丢弃。这么做有个问题，如果这些被丢的报文属于多个TCP连接，那这些TCP连接会同时减少发包，这样发往队列的报文将同时减少，而后它们又慢慢尝试增加发包数，于是又会在某个时间同时出现流量高峰……如此反复。 这就是著名的“TCP全局同步”现象。这可如何是好？ TCP/IP两大传输协议（TCP和UDP）都得罪了，那还怎么玩？

没事，路由器拿出了飞机中的战斗机，另一种丢包策略――**WRED（ Weighted Random Early Detection**，加权随机早期检测）技术。WRED原理很简单，就是为每个队列都画两条线，如下图。
<div align="center"> <img src="https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210131957182872379.png"/> </div>

当队列短，还没排到***线，不丢报文；当排到***线就开始随机丢掉一些新来的报文，队列越长，丢得越多；当排到红色线时，新来的都丢弃。

对于需要提供最大限度的带宽保证的业务，一般进入SP队里，建议采用尾丢弃，队列满了再丢，这样可以最大限度的保证其带宽。而WFQ队列，是按权重分享带宽，容易发生拥塞，采用WRED策略有效的**避免了TCP全局同步现象**。
但是这样做，你可能还是感觉不是很公平。比如咱俩都在上网，我发了2M，你发200M，结果拥塞了，其实是你用得多导致拥塞的，应该先丢你的啊。为了解决这个问题了，科学家们又造出了一个词――**丢弃优先级**。IETF标准定义了三个丢弃优先级值，为了方便记忆，用红、黄、绿三种颜色来表示报文已经入队列后，拥塞时被丢弃的优先顺序。比如刚才的问题：你发2M我发200M，那就设置一个上限100M，你发的没超过，全是绿的，不会被丢弃，而我发的超过100M后，就将超过的那部分报文标红优先丢弃。

#  **流量限速（CAR和流量整形）**

流量限速也是QoS中的一个重要的概念。对于一台路由器而言，流量限速，是指限制进/出这台路由器的数据流的速率。

流量限速有两种技术，一种是CAR。另一种技术就是流量整形，同CAR一样，都采用令牌桶算法，但不同的是：流量整形是在队列机制里使用，用于限制某个或某些队列的输出速率，超速了就暂停输出，超速的报文暂时存在缓存里，等空闲了还是会输出，不被丢弃；而CAR与队列无关，CAR是没用到缓存的，超速的报文直接丢弃。

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