韓強

摘要：針對網絡數據傳輸過程中存在丟包的問題，構建模擬環(huán)境對丟包現(xiàn)象進行了具體分析，得出了線路接觸不良、網絡設備處理性能差和設備端口傳輸帶寬不足導致的數據丟包原因，丟包率過高會引起重要數據的丟失，導致數據傳輸失敗。通過對網絡設備處理性能進行研究，得出網絡設備會因不同的流量控制策略而產生丟包等結論，提出了流量控制措施需結合不同流量特性來確定的結論。

關鍵詞：流量控制；QoS；緩存；限速；令牌桶

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）24-60-4

0引言

當網絡設備需要與低速物理傳輸線路相連時，為確保關鍵數據傳輸的可靠，需要配置必要的流量控制措施，網絡設備的流量控制措施包括流量監(jiān)管（Committed Access Rate，CAR）、流量整形（Generic Traffic Shaping，GTS）和端口限速（Line Rate，LR）3種，這3種流量控制措施都屬于速率限制類型，但實現(xiàn)原理和最終效果有較大差別，具體選擇哪一種流量控制措施需結合網絡數據的流量特性來確定[1]。

1丟包原因排查

1.1丟包原因排查

數據由數據發(fā)送終端發(fā)出，依次經接入交換機、匯聚交換機、防火墻、保密機、路由器、復分接器和Modem傳輸，數據傳輸過程如圖1所示。

數據傳輸所經過的接入交換機、匯聚交換機和路由器具備線速轉發(fā)能力，即數據由輸入端口按線路速率輸入時，經設備處理后還可以從輸出端口按線路速率輸出，系統(tǒng)的處理性能不會影響數據的傳輸[2]。

1.2丟包位置排查

將經路由器廣域網端口和匯聚交換機與防火墻相連端口傳輸的數據鏡像至監(jiān)視計算機，利用數據發(fā)送軟件的通信監(jiān)視功能，對數據傳輸過程進行實時監(jiān)視，通過對輸出數據包數、匯聚交換機輸出數據包數和路由器輸出數據包數的比較，發(fā)現(xiàn)數據丟包發(fā)生在匯聚交換機與防火墻的互連端口至路由器廣域網端口之間的傳輸過程中[3]。

1.3丟包原因分析

為準確定位丟包位置并確定丟包的真正原因，對從匯聚交換機與防火墻互連端口的鏡像輸出的數據包以ms為單位進行數據傳輸速率分析，發(fā)現(xiàn)由數據發(fā)送終端發(fā)出的數據包存在明顯的突發(fā)現(xiàn)象，數據通常在發(fā)送周期的第1 ms內發(fā)送完畢，發(fā)送速度達到6～8包/ms，包長5 642 Byte。匯聚交換機輸入端口接收數據包情況分析如圖2所示。

在向數據發(fā)送終端發(fā)送數據包之前，數據存在積累，假設每20 ms向數據發(fā)送終端發(fā)送一次數據包，基帶接收大數據的速率為4 192 kbps，那么在20 ms的時間內積累數據為10 480 Byte，加上應用層的包頭，在網絡中需要封裝為4個IP數據包進行傳輸。另一方面，數據發(fā)送終端應用軟件的數據發(fā)送環(huán)節(jié)多，數據發(fā)送過程并不能精確地控制數據的發(fā)送頻率，也會引起數據突發(fā)。應用軟件將需發(fā)送的數據提交給操作系統(tǒng)，當系統(tǒng)繁忙時，數據將被緩存在操作系統(tǒng)的緩存中，當操作系統(tǒng)空閑時，就會將積累的數據包一次性地提交給網卡驅動程序，最終通過網卡硬件發(fā)送至傳輸線路上[4]。當網絡設備的輸出端口未進行流量控制時，所有數據直接轉發(fā)至接收設備。若網絡設備的輸出端口設置有流量控制策略，則會出現(xiàn)如圖3所示的數據包瞬間過載情況[4]。

對于包長為5 642 Byte的數據包，網絡設備的源端接收速率可達22包/ms，當路由器出口限速為5 120 kbps時，路由器每ms可發(fā)送的數據為640 Byte，還不到一包，因此，由上游突發(fā)傳輸至路由器的數據包不能及時發(fā)送出去，當路由器不具備緩存功能或緩存容量不足時，數據包必然會被丟棄，從而導致丟包。

2網絡設備流量控制策略與數據傳輸特性

2.1流量控制措施的實現(xiàn)原理

2.1.1流量監(jiān)管

流量監(jiān)管（CAR）是通過監(jiān)督進入網絡的流量速率，對超出部分的流量進行“懲罰”，使進入的流量被限制在一個合理的范圍內，從而保護網絡資源和企業(yè)網用戶的利益。CAR技術沒有緩存隊列機制，所有超過限定速率的數據都會被丟棄，而TCP或IP的數據是經常伴隨著突發(fā)流量的，導致數據經常被丟棄，CAR技術對此做了一定的改進，即在某一時間間隔內如果有突發(fā)流量，則使用CBS的剩余令牌以及PBS的令牌傳輸一定的突發(fā)流量。

2.1.2流量整形

流量整形（GTS）是通過限制流量與突發(fā)來主動調整流量輸出速率，使報文以比較均勻的速率向外發(fā)送。GTS通過使用緩沖區(qū)和令牌桶來完成，報文發(fā)送速度過快時，在緩沖區(qū)先進行緩存，經過令牌桶的控制，再均勻地發(fā)送被緩沖的報文。當下游設備接口速率小于上游設備接口速率或發(fā)生較大的突發(fā)流量時，下游設備接口處會出現(xiàn)流量擁塞的情況，用戶可以在上游設備配置GTS，將上游不規(guī)整的流量進行整形，輸出一條比較平整的流量以解決下游設備的擁塞問題。

2.1.3端口限速

GTS技術是對具體的流做限速，并且不同的流之間不可相互搶占服務帶寬。當用戶要求對某一接口發(fā)出的所有報文進行限速，而不區(qū)分流的類型時，就需要用到端口限量（LR）技術。當令牌桶中存有令牌時，允許報文的突發(fā)性傳輸；當令牌桶中沒有令牌時，報文必須等到桶中生成了新的令牌后才可以繼續(xù)發(fā)送。這就限制了報文的流量不能大于令牌生成的速度，既限制了流量，又達到允許突發(fā)流量通過的目的。LR對報文的處理在鏈路層進行，當用戶只要求對接口發(fā)出的所有報文進行限速時，使用LR比較簡單。ATM接口不能配置接口限速功能，LR功能只能在低速卡的出接口上進行配置[5]。

2.2流量控制措施形成的數據傳輸特性測試

2.2.1令牌桶工作參數測試原理

對于令牌桶工作參數測試來說，主要是驗證經過設備QoS處理之后的流量是否降到了約定信息速率（Committed Information Rate，CIR），所限定的值，令牌桶的實際尺寸是否符合設備的配置，經過重新標記的報文是否被正確標記，這些都和令牌桶的機制有關。

①輸入流量速率：應高于，且不超過設備的轉發(fā)性能。

②輸出流量速率的測試：統(tǒng)計輸出速率必須等待令牌桶第一次令牌耗盡之后，在此之前設備轉發(fā)的速率是高于的。

③令牌桶的大?。毫钆仆按笮〉臏y試以測試完成為前提。如果不準確，測得的令牌桶大小也將不準。以超過的速率發(fā)送報文并開始計時，令牌桶中的令牌以-的速率逐漸消耗掉。在1時刻第一次出現(xiàn)令牌不足，設備轉發(fā)報文的速率降至，直到發(fā)送結束時刻2。整個過程如圖4所示。

假定為接收到的報文總字節(jié)數，根據令牌桶的工作原理不難得出= -2×÷8。需要指出的是，有些QoS特性僅有報文IP頭以上部分消耗令牌，有些是鏈路層及以上部分均消耗令牌。通過比較實測的值和配置的值還可以判斷出以太網端口QoS工作在OSI參考模型的第幾層。因此，上述公式中令牌桶大小需要和在OSI參考模型的同一層上進行計算，否則會出現(xiàn)較大偏差[5]。

2.2.2緩存的測試原理

LR， CAR在輸入流量相同的條件下輸出波形相同，但由于LR有緩存而CAR沒有緩存，因此，在時刻1之后2之前LR還會有一段時間發(fā)送的是緩存隊列的數據。通過測試儀觀察不到這種差別，必須通過抓包軟件對1～間開頭部分報文的IP頭部ID進行逐個觀察，找到第一次報文ID不連續(xù)的時刻3，則在1～3之間所有ID連續(xù)的報文都是緩沖區(qū)中的報文，這些報文的字節(jié)數之和就是緩存隊列的大小。

3流量控制策略優(yōu)化

流量控制策略優(yōu)化方案包括發(fā)送端數據發(fā)送精確定時、源端數據輸出電路降速和網絡設備Qos策略優(yōu)化3種。

3.1數據發(fā)送精確定時

采用發(fā)送精確定時，可確保數據發(fā)送終端按設定的數據發(fā)送周期在規(guī)定的時刻發(fā)送數據，這樣即使數據發(fā)送終端數據輸出接口的線路速率再大，只是降低了數據發(fā)送所需要的時間，而不會在下游傳輸鏈路上形成數據瞬間突變。由于網絡設備不緩存數據，其接收數據包的能力與令牌桶大小相關。假設令牌桶大小為cbs，基帶大數據接收速率為，則數據發(fā)送周期≤（-）/，其中，為IP數據包頭的大小，包括IP協(xié)議頭和應用層協(xié)議頭。數據發(fā)送周期越小，令牌桶中能夠容量的數據包數量越多。

3.2源端數據輸出電路降速

數據發(fā)送終端與交換機之間互連電路的傳輸速率高達 1 000 Mbit/s，而數據傳輸鏈路上的衛(wèi)通電路的數據傳輸速率只有5 Mbit/s，遠低于數據發(fā)送終端與交換機之間的數據傳輸速率。當采用仿真軟件發(fā)送數據時，匯聚交換機接收端口每毫秒接收到的數據包突發(fā)時達到8包，折算得到數據發(fā)送速率高達361 Mbit/s，遠遠高于路由器出口的限速。當這些數據包發(fā)送到路由器時，能夠順利轉發(fā)的數據包數與令牌桶的大小cbs有關，而cbs不可隨意設置，需結合下游設備的數據傳輸能力進行設置。

由于網卡可以工作在100 Mbit/s和1 000 Mbit/s兩種速率，可以將數據發(fā)送設備與網絡設備之間的電路速率降低為100 Mbit/s，此時，數據發(fā)送速率能夠滿足數據傳輸的要求，但數據包突發(fā)能力大大降低，原來的傳輸電路在1 ms內可突發(fā)傳輸22包，降速后只能傳輸2.2包，因而對下游數據傳輸設備的沖擊影響將大大降低，根據數據分析結果可以確定，數據突發(fā)不超過4包/ms時，數據傳輸不會出現(xiàn)丟包，問題可以不依賴數據發(fā)送精確定時而解決。

3.3網絡設備Qos策略優(yōu)化

在接入交換機、匯聚交換機和路由器等部位部署Qos策略，匯聚交換機和接入交換機可設置令牌桶的大小，路由器不能設置令牌桶的大小，令牌桶越大，抗上游數據設備數據突發(fā)能力越強，但限速效果越差。可選擇的限速策略包括流量監(jiān)管、流量整形和端口限速3種，其中，流量監(jiān)管無數據緩存能力，抗數據突發(fā)能力較弱；流量整形具備數據緩存能力，抗數據突發(fā)能力強；端口限速適用于對所有流量進行限速。無論采用何種策略，當上游設備的數據突發(fā)量超過設定的令牌桶容量和緩存大小時，都會發(fā)生數據丟包。令牌桶設置過大，雖然能夠承受上游設備的數據突發(fā)，但其輸出數據也會存在突發(fā)，勢必對下游設備產生影響，如果突發(fā)速率超過下游設備的承受能力，同樣會發(fā)生數據丟包[6]。

3.4流量控制策略優(yōu)化建議

對比上述3種流量控制策略優(yōu)化方案，數據發(fā)送精確定時需要解決操作系統(tǒng)與應用軟件的配合問題，難度較大。優(yōu)化調整Qos策略步驟復雜，需要計算和設置的參數較多，針對某條數據流的策略不能適用其他數據流。由于Qos策略可在數據傳輸鏈路上的所有設備中部署，在不同設備上部署會產生不同的流量控制效果，無法進行量化比較，而且，不同的網絡設備Qos參數的設置也不同。源端數據輸出電路降速策略可直接避免數據突發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，且操作過程簡單，便于實施。

4結束語

為避免后續(xù)發(fā)生數據丟包問題，并且確保問題解決方案能夠適應不同數據類型，從數據發(fā)送源頭著手，采用源端數據輸出電路降速方案，輸出電路降速后，能夠有效控制網絡中的數據突發(fā)，從源頭上解決網絡數據丟包問題。

參考文獻

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