吳掬鷗

摘要:文章簡(jiǎn)要分析了常見(jiàn)IP網(wǎng)絡(luò)QoS(Quality of Service)隊(duì)列調(diào)度技術(shù)的基本操作,基本隊(duì)列調(diào)度算法(包括FIFO,PQ,RR,WRR)的特點(diǎn),在介紹了幾種常見(jiàn)隊(duì)列調(diào)度策略的同時(shí),對(duì)各類別隊(duì)列技術(shù)所針對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的具體應(yīng)用進(jìn)行了分析,列舉配置案例,為QoS具體實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞:隊(duì)列(queue);調(diào)度算法;隊(duì)列調(diào)度策略

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)23-0153-02

QoS(Quality of Service)即服務(wù)質(zhì)量,是用于衡量使用一個(gè)服務(wù)的滿意程度。隨著Internet規(guī)模的不斷增長(zhǎng),IP網(wǎng)上出現(xiàn)了大量的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。由于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)、延時(shí)抖動(dòng)等特性較為敏感,因此這些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)通常需要一套行之有效的QoS控制機(jī)制來(lái)提高工作效率以保證網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或擁塞時(shí),QoS控制能確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)量不延遲或丟棄。

QoS所涉及的工作內(nèi)容包括:分類,標(biāo)注,隊(duì)列策略,擁塞規(guī)避,流量整形等很多方面,到目前為止,QoS已經(jīng)擁有了一套較為完整的運(yùn)作機(jī)制,這套機(jī)制的運(yùn)作所涉及的內(nèi)容十分復(fù)雜,本文僅針對(duì)這套機(jī)制中較為難理解和應(yīng)用的隊(duì)列調(diào)度策略進(jìn)行了相應(yīng)分析,以供參考。

一、接口隊(duì)列的組成

網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)發(fā)生在任何地方,速率不匹配、鏈路匯聚、數(shù)據(jù)合流都會(huì)導(dǎo)致?lián)砣ｊ?duì)列(queuing)技術(shù)可以用來(lái)管理?yè)砣?從而提供帶寬和延遲保證。

隊(duì)列特指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的線性操作,這種操作決定了數(shù)據(jù)包在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口時(shí)的一系列過(guò)程。通常在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上,每個(gè)接口都有硬件隊(duì)列系統(tǒng)和軟件隊(duì)列系統(tǒng)兩個(gè)組成。當(dāng)接口硬件擁塞,則需要使用軟件排隊(duì)來(lái)進(jìn)行管理。當(dāng)硬件隊(duì)列機(jī)制中有空間,那么數(shù)據(jù)包將不經(jīng)過(guò)軟件隊(duì)列機(jī)制。設(shè)備根據(jù)接口配置的帶寬來(lái)決定硬件排隊(duì)的長(zhǎng)度。減少硬件排隊(duì)長(zhǎng)度有兩個(gè)好處:減少了數(shù)據(jù)包排隊(duì)的最大時(shí)間、加快了QoS的軟件應(yīng)用。

二、基本隊(duì)列調(diào)度算法

隊(duì)列在對(duì)數(shù)據(jù)包的處理可以基于數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行,也可以基于分類來(lái)進(jìn)行?；镜倪^(guò)程是先創(chuàng)建隊(duì)列,再將數(shù)據(jù)包根據(jù)分類分配到不同的隊(duì)列,并且安排數(shù)據(jù)包的傳輸。常見(jiàn)的幾種隊(duì)列算法包括:FIFO(先進(jìn)先出)、PQ(優(yōu)先級(jí)排隊(duì))、RR(循環(huán)調(diào)度)、WRR(加權(quán)循環(huán)調(diào)度)四種。

(一)FIFO

先進(jìn)先出、最簡(jiǎn)單的一種排隊(duì)機(jī)制,只有一個(gè)隊(duì),提供了基本的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)能力,是排隊(duì)算法的默認(rèn)算法、適用于大型鏈路和低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

(二)Priority Queuing

優(yōu)先級(jí)隊(duì)列使用多個(gè)隊(duì),允許按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行次序分類。常常在進(jìn)行下一個(gè)隊(duì)列之前將第一個(gè)隊(duì)列清空。先轉(zhuǎn)發(fā)高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù),給予了高優(yōu)先級(jí)絕對(duì)的優(yōu)惠。處于活動(dòng)狀態(tài)的源往往被分配到一個(gè)高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中。這種算法有可能會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)遲遲不能被轉(zhuǎn)發(fā),但可以使用流量模型來(lái)限制高源優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的速率。

(三)Round Robin

循環(huán)調(diào)度使用多個(gè)隊(duì),不按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行次序分類,從每個(gè)隊(duì)列中發(fā)送數(shù)據(jù)包,如:從隊(duì)列1發(fā)一個(gè)包,再?gòu)年?duì)列2發(fā)一個(gè)包,再?gòu)年?duì)列3發(fā)一個(gè)包,如此循環(huán)進(jìn)行。

如果數(shù)據(jù)包的尺寸相同,那么所有的隊(duì)列會(huì)平均的共享帶寬,如果某個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包較大,那么這個(gè)隊(duì)列會(huì)享受到更大的帶寬。

(四)Weighed Round Robin

加權(quán)循環(huán)調(diào)度允許優(yōu)先順序化,并為每一個(gè)隊(duì)列分配一個(gè)權(quán)重,然后按權(quán)重比例從隊(duì)列中發(fā)送數(shù)據(jù)包,例如:有4個(gè)隊(duì)列,權(quán)重分別是40、20、25、15,那么在發(fā)生擁塞的時(shí)候,隊(duì)列1可以使用40%的帶寬,以此類推。

三、常見(jiàn)隊(duì)列調(diào)度策略和案例

隊(duì)列的調(diào)度策略可以看成是將各隊(duì)列算法的系統(tǒng)化,除了FIFO可以看成是無(wú)策略外,其他被各大廠商所支持的調(diào)度策略,主要包括:

Preference Queue(優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PQ),Customized Queue(用戶定制隊(duì)列CQ),Weighted Fair Queue(加權(quán)公平隊(duì)列WFQ), Class-Based-WFQ(基于類的加權(quán)公平隊(duì)列CBWFQ),Low Latency Queue(低延遲隊(duì)列LLQ)等。

這里以配置和應(yīng)用較為復(fù)雜的CQ,CBWFQ和LLQ為例討論。

(一)CQ用戶定制隊(duì)列

CQ是一種根據(jù)協(xié)議,端口號(hào),以及其他標(biāo)準(zhǔn)分配隊(duì)列空間從而保證業(yè)務(wù)帶寬的隊(duì)列方法。定制隊(duì)列采用輪詢的方式處理隊(duì)列。CQ使用了17個(gè)子隊(duì)列(其中0子隊(duì)列是PQ隊(duì)列,優(yōu)先級(jí)很高,留給系統(tǒng)使用),CQ使用RR(Round-Robin)循環(huán)調(diào)度機(jī)制。

CQ的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于每種流量都保證一定的帶寬,防止流量被“餓死”,在大多數(shù)平臺(tái)上都支持。CQ的缺點(diǎn)主要包括:每個(gè)子隊(duì)列都會(huì)繼承FIFO隊(duì)列的缺點(diǎn),需要在每一跳上手工的設(shè)置分類,不準(zhǔn)確的帶寬分配,執(zhí)行調(diào)度時(shí)會(huì)引入抖動(dòng),因此不適合對(duì)延遲敏感的應(yīng)用。

(二)CBWFQ基于類的加權(quán)公平隊(duì)列

CBWFQ(通常使用ACL)定義數(shù)據(jù)流類別,并將注入寬帶和隊(duì)列限制等參數(shù)應(yīng)用于這些類別。CBWFQ擴(kuò)展了WFQ的功能標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提供自定義通信類型支持。其工作流程圖如圖1:

CBWFQ采用了混合的算法,根據(jù)IP優(yōu)先級(jí)或者DSCP、輸入接口、IP報(bào)文的五元組等規(guī)則來(lái)對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類;對(duì)于MPLS網(wǎng)絡(luò)的LSR,主要是根據(jù)EXP域值進(jìn)行分類。然后讓不同類別的報(bào)文進(jìn)入不同的隊(duì)列。對(duì)于不匹配任何類別的報(bào)文,報(bào)文被送入系統(tǒng)定義的缺省類。

CBWFQ集中了CQ和WFQ的優(yōu)點(diǎn),可以支持64個(gè)流量類,每個(gè)流量類均有自己的隊(duì)列,隊(duì)列使用WRR算法進(jìn)行輪詢。CBWFQ是數(shù)據(jù)應(yīng)用中的很高效的算法,但不能為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)保障。為了避免造成后臺(tái)進(jìn)程永遠(yuǎn)得不到帶寬,CBWFQ占用的帶寬不要大于鏈路總帶寬的75%。

(三)LLQ低延時(shí)隊(duì)列

LLQ也是一種混合算法,集成了CQ、PQ、WFQ的優(yōu)點(diǎn)。嚴(yán)格地說(shuō),應(yīng)該稱為PQ+CBWFQ。LLQ在CBWFQ的基礎(chǔ)上增加了嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)保證。常用于語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)?；谕瑯拥目紤],LLQ占用的帶寬不要大于鏈路總帶寬的33%。LLQ的體系結(jié)構(gòu)如圖2:

只要LLQ中有報(bào)文,系統(tǒng)就會(huì)發(fā)送LLQ中的報(bào)文,所以LLQ中的報(bào)文被發(fā)送的延遲最多是接口發(fā)送一個(gè)最大長(zhǎng)度報(bào)文的時(shí)間,無(wú)論是時(shí)延還是時(shí)延抖動(dòng),LLQ都可以將之降低為最低限度。這為對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用如VOIP業(yè)務(wù)提供了良好的服務(wù)質(zhì)量保證。

四、應(yīng)用配置案例

下面使用一個(gè)比較典型的案例來(lái)說(shuō)明(配置案例均采用Cisco公司的系列產(chǎn)品的命令行):

需求:路徑帶寬為512Mbps,四種應(yīng)用流量,需要保證如下幾點(diǎn):

流量1,某一具體應(yīng)用流量,永遠(yuǎn)優(yōu)先傳輸,最小帶寬保證為133Mbps;

流量2,某一具體應(yīng)用流量,次優(yōu)先傳輸,最小帶寬保證為200Mbps;

流量3,此為業(yè)務(wù)流量,保證在1和2后的其余帶寬下傳輸即可;

流量4,某一具體應(yīng)用流量,保證在123流量外的帶寬下傳輸即可。

具體配置如下:

第一步,定義ACL匹配應(yīng)用流量:

ip access-list extended tra1_acl permit tcp 10.1.1.0 0.0.0.255 10.1.2.0 0.0.0.255 eq 804

ip access-list extended tra2_acl permit tcp 10.1.3.0 0.0.0.255 10.1.4.0 0.0.0.255 eq 861

ip access-list extended tra4_acl permit ip 10.1.5.0 0.0.0.255 10.1.6.0 0.0.0.255

第二步,定義class-map匹配相關(guān)ACL:

class-map match-all tra1_cmap

match access-group name tra1_acl

class-map match-all tra2_cmap

match access-group name tra2_acl

class-map match-all tra4_cmap

match access-group name tra4_acl

第三步,定義policy-map:

policy-map tra_pmap

class tra1_cmap

set precedence 5

plicy cir 133000000 bc 145000000 be 150000000 conform-action transmit exceed-action set-prec-transmit 3 violate-action set-prec-transmit 2

bandwitch 133000

class tra2_cmap

set precedence 4

policy cir 200000000 bc 30000000 be 33000000 conform-action transmit exceed-action set-prec-transmit 3 violate-action set-prec-transmit 2

class tra4_cmap

set precedence 1

class class-default

set precedence 2

第四步,綁定policy-map于相應(yīng)的接口:

int pos1/0/0

service-policy output tra_pmap

至此,配置完畢。

五、結(jié)語(yǔ)

隊(duì)列調(diào)度是QoS控制的核心技術(shù)之一。隊(duì)列調(diào)度在基本算法的基礎(chǔ)上提出了各種有針對(duì)性的結(jié)構(gòu),能有效地解決了對(duì)各種特定流量或突發(fā)性數(shù)據(jù)流的處理。合理地運(yùn)用隊(duì)列調(diào)度策略可以幫助實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)Qos服務(wù)。

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