[网络协议]QoS服务质量

QoS 服务质量

• 差异化的服务
• 网络带宽小于实际应用
• 先进先出的顺序

QoS的作用

1. 尽力而为的服务模型，当网络产生拥塞时，无法保证优先传递重要数据
2. 网络数据的多元化，

QoS 模型

1. 尽力而为服务模型

   在尽力而为服务模型中，所有网络设备全部都是尽自己最大努力传输数据，所有数据尽管传，不需要得到许可，有多少传多少，任何数据都不能得到保证，延迟也无法预计，所以尽力而为服务模型，其实并没有实施任何QOS，默认的网络都工作在这种模型下。

2. 综合服务模型：能够为特定的流量保证带宽。
   先申请网络带宽，无法最大化利用网络带宽，同时，设备需要维护RSVP协议【资源预留协议】

   在实施了综合服务模型QOS的网络中，应用程序在发送数据之前，必须先向网络申请带宽。
   但是如果某些程序在连接之前没有向网络申请带宽，那么它的流量只能得到尽力而为的服务
   在综合服务模型中，重要的数据可以通过申请带宽而得到保证，但是在传送之前必须申请，也需要耗费额外一些时间。
   在申请带宽时，所用到的协议为Resource Reservation Protocol (RSVP)
   在现有的网络中，综合服务模型的QOS通常并不被采用。

3. 区分服务模型
   先对网络流量进行分类，标记不同优先级，当网络拥塞时，网络设备根据优先级来决定转发的先后顺序

   在实施了区分服务模型QOS的网络中，网络将根据不同数据提供不同服务，因此，所有数据都被分成不同的类别，或者设置为不同的优先级，在网络发生拥塞时，网络总是先保证传输高优先级的数据，从而放弃传输低优先级的数据，但是在网络没有拥塞时，所有数据全部照常传输。

   现在的网络中，实施QOS时通常采用区分服务模型

QoS的部署方式

1. CLI：早期传统网络去部署

   • 传统的方法
   • 非模块化
   • 不能通过定义策略分离流量

   interface Multilink1
    ip address 10.1.61.1 255.255.255.0
    ip tcp header-compression iphc-format   TCP头部压缩
    load-interval 30
    custom-queue-list 1
    ppp multilink
    ppp multilink fragment-delay 10
    ppp multilink interleave
    multilink-group 1
    ip rtp header-compression iphc-format     RTP头部压缩
   

2. MQC：（重点）模块化QoS

   MQC可以配置对特定的数据采取特定的动作

步骤为三步：
定义流量
设置策略
应用策略

定义流量—class-map  192.168.100.0/24 192.168.200.0/24
设置策略---policy-map
应用策略---service-policy

class-map VoIP-RTP
 match access-group 100
class-map VoIP-Control
 match access-group 101
!
policy-map QoS-Policy
 class VoIP-RTP
  priority 100
 class VoIP-Control
  bandwidth 8
 class class-default
  fair-queue
!
interface serial 0/0
 service-policy output QoS-Policy
!
access-list 100 permit ip any any precedence 5
access-list 101 permit tcp any host 10.1.10.20 range 2000 2002

3. Auto-QoS：在设备，预先配置好了profile，只需要调用即可

AutoQoS VoIP支持在LAN和WAN环境部署
AutoQoS Enterprise支持在WAN接口部署
路由器可以部署企业应用QoS策略处理语音，视频和数据流量 
交换机可以通过单条命令部署QoS策略

VoIP
Enterprise

DSCP 区分服务代码点

? 当需要使用MQC的方式去部署QoS时，对流量分类之后，需要为不同的数据包打上不同的优先级，当路由器收到带有优先级的数据包，可以根据这些优先级来决定数据转发的优先顺序。

? 如何在数据包的包头去标记这个优先级，使用DSCP进行标记
当路由器收到带有优先级的数据包，根据数据包不同的优先级，执行不同的策略，这种行为叫做PHB（每一跳行为）

ToS：type of service总共是8bit，用于标识IP包头数据包的优先级【网络层】

CoS：class of service总共是8bit，用于标识数据帧头的优先级【数据链路层】

ToS字段，用2种方式来标记
1）	IPP：使用高3bit，剩余5bit都为0
可以表示8种（2^3），0~7来表示
IPP0 IPP1 IPP2 IPP3….IPP7，值越大 优先级就越大，优先被转发
2）	DSCP：使用高6bit，剩余2bit都为0，高6bit中，最后一个bit始终为0
2.1）default PHB：6个bit全0  1个类别
2.2）EF:101110  1 个类别【Expedited Forwarding 加速转发】      
?	确保最小的时延（Voice、实时流量） 
?	保证带宽(保证该类别流量带宽，可优先转发)
?	管制带宽(该类别流量不能超过保证带宽，超过的流量将被丢弃)      
2.3）AF：12个类别【Assured Forwarding保证转发 】
?	保证带宽 
?	当网络没有发生拥塞时，允许占用额外的带宽 
?	四个标准类(af1, af2, af3, and af4)
     AF1：001010、001100、001110  AF11 AF12 AF13
     AF2：010010、001100、001110
     AF3：011010、001100、001110
     AF4：100010、001100、001110
2.4）CS (Class-Selector)，兼容IPP，也使用高3bit，其余为0   8个类别
     0~7，CS0、CS1、CS2…CS7  值越大 优先级就越大，优先被转发

ToS=IPP*32=DSCP*4

QoS Mechanisms

(1) Classification 分类: 将数据分为不同的类别。

• 分类是识别和分离不同类别的流量。
• 流量可以通过各种方式进行分类，包括DSCP
• Modular QoS CLI 允许通过执行策略进行分类。

(2) Marking 标记: 将数据设置为不同的优先级

• 标记, 也被称为着色（coloring）
• 根据不同类别的流量给每个数据包标记，使得分类的流量在网络中传输时，能够被快速识别。

(3) Congestion Management 拥塞管理: 每个接口有一个队列机制，当网络拥塞发生时，规定数据以什么样的先后顺序传输。

每个物理接口，有1个硬件队列和N个软件队列
当网络产生拥塞时，决定如何从软件队列调度数据包到硬件队列

• 拥塞管理是根据每个数据包上的标记，以确定在哪个队列放置数据包。
• 拥塞管理一般采用先进的队列技术，如WFQ和LLQ，以确保对时间敏感型的流量能够被优先传送，例如语音流量被首先发送。

(4) Congestion Avoidance 拥塞避免: 当网络（队列）发送拥塞时，如何丢弃数据包，避免网络产生拥塞。

• 当预先定义的队列达到所限制的阀值，拥塞避免可能随机丢弃数据包
• 在“更早的时候”开始丢包，拥塞避免有助于防止网络中的下游瓶颈。

(5) Policing and Shaping 管制和整形: 当用户超过额定带宽，超过的带宽不能被传输，采用其它方式来处理。
管制-丢弃超出的带宽；整形-缓存超出的带宽

• Policing 当达到预定义的限制时，丢弃数据包
• Shaping 当达到一个预定义的限制时，缓存超出的带宽。

(6)Link Efficiency 链路效率: 通过头部压缩或链路分段，提高带宽效率

• 报头压缩可以显着降低语音传输相关的开销
• 在一个IP数据流中，数据报头中很多信息是保持不变，这就为报头压缩提供基础。发送方只需在开始时，传送一个完整的报头，随后不变的部分可以不传。

Classification 分类

MQC

1. MQC是模块化QOS配置命令集，由匹配流量、设置流量、调用策略三个部分组成；
2. 使用ACL配合class-map来匹配流量；
3. 使用policy-map调用class-map来设置流量；
4. MQC可以在接口下、子接口、控制模版下调用；
5. 数据包的优先级可以用TOS、DSCP、IP优先级三种方式来定义，他们之间可以互相转换；
6. TOS=DSCP*8=IP*64；

配置MQC

//匹配流量
access-list 100 permit ip host 1.1.1.1 host 4.4.4.4 precedence immediate
/匹配从1.1.1.1发往4.4.4.4且优先级为2的数据/
access-list 101 permit ip host 2.2.2.2 host 5.5.5.5 precedence flash-override
/匹配从2.2.2.2发往5.5.5.5且优先级为4的数据/

class-map match-all pre4				/创建类图pre4/
 match access-group 100				/调用ACL 100/

class-map match-all pre2
 match access-group 101


//设置流量
policy-map MQC						/创建策略映射图MQC/
 class pre2							/调用类图pre2/
  set ip precedence 6					/设置IP优先级为6/
 class pre4
  set ip precedence 5


//调用策略
interface FastEthernet0/0
service-policy input MQC			/调用策略映射图MQC/
interface FastEthernet1/0
service-policy input MQC			

NBAR

• NBAR ：基于网络层的应用识别。

• NBAR 解决了如何分类client/server 和 web-based applications的问题。

• NBAR 执行以下功能:

  识别应用和协议 (Layer 4 to Layer 7)

  协议发现

  提供流量统计

• 通过 NBAR对流量进行归类，能够对这些类执行random early detection, class-based queuing, and policing QOS 的PHP行为

• 新的应用程序很容易支持加载PDLM（数据包描述语言模块）.

NBAR 可以用于分类的的应用程序

• 静态分配的TCP和UDP端口号
• 非UDP和非TCP IP协议
• 连接建立过程中协商动态分配的TCP和UDP端口号（需要状态检测）
• 子端口分类：HTTP分类 (URLs MIME or host names …)
• MIME：多用途互联网邮件扩展类型，设定某种扩展名的文件用一种应用程序来打开的方式类型，当该扩展名文件被访问的时候，浏览器会自动使用指定应用程序来打开，多用于指定一些客户端自定义的文件名，以及一些媒体文件。
• 分类基于深度包检测和多个应用程序特定的属性(RTP payload classification)

配置NBAR

router(config-if)#ip nbar protocol-discovery
配置NBAR以发现特定接口上NBAR已知的所有协议的通信量
要求在协议发现之前启用CEF
可以在启用或不启用服务策略的情况下应用

router(config-cmap)#match protocol protocol
根据指定的协议配置类映射的匹配条件。
静态协议是根据已知的目标端口号识别的。
通过检查会话来识别动态协议(英国电信电驴)
match not命令可用于指定不用作匹配条件的QoS策略值。在这种情况下，该QoS策略的所有其他值将成为成功匹配标准。

router(config)#ip nbar port-map protocol [tcp | udp] new-port [new-port ...]
配置NBAR以使用已知端口以外的端口号搜索协议或协议名称。
最多可以指定16个附加端口号。

router(config)#ip nbar pdlm pdlm-file
指定数据包描述语言模块文件的位置，以扩展路由器的NBAR功能。
文件名采用URL格式（例如，flash://citrix.pdlm).

Marking 标记

Class-based marking

• 是与MQC提供一个额外的工具，它允许静态分类标记的数据包。
• 它可以用来标记入站或出站数据包。
• 它可以结合任何其它出方向的QoS 特性。
• 它可以结合任何其它进方向基于类的管制
• 先在接口上配置CEF，才能保证基于类的数据包标记的功能都可以使用。

数据包可以打上以下标志之一:

• IP precedence

class-map test
  match ip precedence <0-7> 

class-map  match-any test  匹配优先级为0或者为1的流量
 match ip precedence 0
 match ip precedence 1

• IP DSCP

class-map test 3
  match dscp 1        /--匹配IPv4 和IPv6 dscp值为1--/
  match ip dscp 1    /--匹配IPv4 的dscp值为1--/

class-map Mission-Critical
  match ip dscp af31 af32 af33 cs3      /--CS3兼容IPP3--/   or的关系

• QoS group

?	路由器内部使用标签，不会在网络种传递，而其它DSCP IPP都能够往下传递。?	流量进入，打上Qos Group标记，
?	匹配该标记的流量，做策略。这样可以保证Qos Group标记不会传递下去。access-list 100 permit icmp host 1.1.1.1 host 2.2.2.2class-map qosgroup  match access-group 100policy-map qosgroup  class qosgroup  set qos-group 123interface FastEthernet0/0 service-policy input qosgroup将1.1.1.1 ping 2.2.2.2的流量设置为qos-group 123class-map 100k  match qos-group 123policy-map 100k  class 100k  bandwidth 100interface FastEthernet0/0 service-policy output 100kR1#show policy-map interface f0/0

• MPLS experimental bits

policy-map x class qosgroup  set mpls experimental topmost 5class-map test match mpls experimental topmost 5   匹配EXP的顶层标签 

• IEEE 802.1Q or ISL CoS/priority bits

class-map test match cos <0-7>

• Frame Relay DE bit

class-map test match fr-de

• ATM CLP bit

配置

class-map Well-known-services  match access-group 100!class-map Unknown-services  match not class-map Well-known-services!policy-map set-DSCP  class Well-known-services    set DSCP AF21  class Unknown-services    set DSCP 0!access-list 100 permit tcp any any lt 1024access-list 100 permit tcp any lt 1024 any!Interface ethernet 0/0 service-policy input set-DSCP

Congestion Management 拥塞管理

• 硬件队列：每一个物理接口只有一个硬件队列
• 软件队列

1） FIFO 先进先出，只有一个队列，所有数据包都是平等，硬件队列始终使用FIFO的队列技术

缺点：当网络产生拥塞时，不能保证关键业务数据被优先发送。

2） PQ 优先级队列

多个队列，有优先级，解决FIFO的问题，当网络产生拥塞时，可以优先调度高优先级的数据。

缺点：如果高优先级队列一直存在数据包，可能导致低优先级的队列出现饿死的现象。

PQ队列用于传输对时延比较敏感的流量。Voice

通告管制，进行限速，200K

3） RR 轮询队列

有多个队列，但是没有优先级，可以解决PQ队列的问题，可以保证每个队列都能够被调度。

缺点：太公平了，调度的时候无法保证调度更多的关键业务的流量

4） WRR 基于权重轮询队列

多个队列，也有优先级概念，调度的时候，每个队列调度的数据包个数不同。可以保证重要数据每次调度时，比普通流量调度的更多。
调度时，可以基于字节数或者数据包的个数来进行掉地

缺点：调度不精确

5） DRR 赤字轮询队列 ，缓解调度不精确的问题，不能根本上去解决

6） WFQ 加权公平队列

共享带宽，系统自动分配队列，根据不同的数据流，通过hash函数，将不同的数据流放入到不同的队列。根据队列的优先级，分配带宽

两种丢弃模式

0~CDT：不丢弃

CDT~HQO选择性丢弃：如果到达的数据包具备最大的FT值，则丢弃，否则不丢弃
大于HQO，始终要丢弃：如果到达的数据包具备最大的FT值，则丢弃。
如果到达的数据包不具备最大的FT值，丢弃队列中FT值最大的数据包

注：数据包越大，FT值就越大。

优先级高的数据包，长度越长，导致它的FT值更大

优先级低的数据包，长度较短，导致他的FT值更小

则容易造成高优先级的数据包被优先丢弃

解决方法：
通过虚拟包长，丢弃低优先级的流量

虚拟包长=实际包长/（优先级+1）

分母是1~8

有可能会出现除不尽

使用32384 最小公倍数来解决

默认情况下，如果接口带宽小于2.048M，运行WFQ

Queueing strategy: weighted fair

如果大于2.048M，运行FIFO

Queueing strategy: fifo

HQO默认是1000

Output queue: 0/1000/64/0 (size/max total/threshold/drops)

Router(config-if)#fair-queue 100 512 修改CDT值为100，修改动态队列个数为512Router(config-if)#hold-queue 2000 out 修改HQO值为2000 Router(config)#int f0/0Router(config-if)#fair-queue 定义该接口队列使用WFQ

Congestion Avoidance 拥塞避免

当路由器接口输出队列已满时，接口发生拥塞：后续传入的数据包将被尾丢弃。被丢弃的数据包可能会导致重要应用程序的性能下降。尾丢弃有显著的缺点会出现很多问题- TCP同步- TCP饥饿- 无差别下降

RED(Random Early Detection)随机早期检测

• 如果可以防止队列拥塞，则可以避免尾丢弃。
• RED 就是在队列满之前，进行随机丢弃数据包的机制
• RED 当平均队列长度增加时，丢弃率也随着增加
• RED result:

放慢TCP的会话，发送数据包的速率接近出口带宽速率

减小平均队列（比最大队列大小要少得多）

通过随机丢弃，能够避免大量TCP会话同步

RED三种模式

无丢弃：如果平均值小于最小队列阈值，则到达的数据包排队。

随机丢弃：如果平均值介于该类型流量的最小队列阈值和接口的最大阈值之间，则根据该类型流量的数据包丢弃概率，数据包被丢弃或排队。

完全丢弃（尾部丢弃）：如果平均队列大小大于最大阈值，则丢弃数据包。

WRED(Weighted Random Early Detection)基于权重随机早期检测

WRED可以使用多个不同的红色配置文件。

每个配置文件由以下内容标识：

• 最小阈值
• 最大阈值
• 最大跌落概率

WRED外形选择基于：

• IP优先级（8个配置文件）
• DSCP（64个配置文件）

WRED比更重要的数据包更积极地丢弃不重要的数据包。

WRED可以在接口、VC或类级别应用。

CBWFQ配置

access-list 100 permit ip host 1.1.1.1 host 4.4.4.4access-list 101 permit ip host 2.2.2.2 host 5.5.5.5class-map match-all R1-R4 match access-group 100class-map match-all R2-R5 match access-group 101policy-map MQC class R1-R4  priority 100							/设置为优先队列，保证带宽100K/  police 100000							/做流量管制，CIR为100K/ class R2-R5  bandwidth 100							/设置带宽保证100K/ class class-default  shape average 80000 1000 1000			/做流量整形，CIR为80K/					interface FastEthernet0/0service-policy output CBWFQ							

Policing and Shaping 管制和整形

Policing

要限制访问资源的高速接入

限制访问某些应用程序或业务类的流量速率

第2层或第3层超过的流量做标记

应用于输入方向和输出方向

丢弃超出限制的数据包

被丢弃的TCP数据包将导致重传

支持数据包标记和重标记

减少对缓冲区的使用 (整形要求有额外的整形队列系统)

令牌桶

当网络设备衡量流量是否超过额定带宽时，需要查看令牌桶，而令牌桶中会放置一定数量的令牌，一个令牌允许接口发送或接收1bit数据（有时是1 Byte数据），当接口通过1bit数据后，同时也要从桶中移除一个令牌。当桶里没有令牌的时候，任何流量都被视为超过额定带宽,只有当桶中有令牌时，数据才可以通过接口

如果有足够的令牌可用(conform action):
从桶中取出令牌相当于分组大小。
该分组被发送

如果没有足够的令牌可用 (exceed action):
丢弃 (或标记) 数据包

单速率单桶

流量出现两种结果。符合CIR和超出CIR

Bc（Burst size）令牌桶的大小
Tc （Time interval）加令牌的时间,多久加一次令牌
CIR 每秒钟往桶里令牌的速率，这个速率也就决定了用户流量
CIR = Bc / Tc

单速率双桶

Be: 超出的突发数量（多余的数量）

Tc: 在Bc令牌桶的令牌

Te: 在Be令牌桶的令牌

返回值是conform or exceed or violate

双速率双桶

Tc: Token in CIR bucket

Tp: Token in PIR bucket PIR>CIR, Be>Bc

根据两个不同的速率实施流量监管:

• Committed Information Rate 承诺信息速率
• Peak Information Rate 峰值信息速率

管制配置

access-list 100 permit ip host 1.1.1.1 host 4.4.4.4	class-map match-all R1-R4					/创建类图/ match access-group 100policy-map R1-R4							/创建策略图/ class R1-R4									/调用类图/  police cir 8000 bc 1000 be 1000 conform-action transmit exceed-action drop			/流量管制，速率为8000 bit，BC为1000，Be为1000，正常流量传输，超出流量丢弃/

Shaping

• 预防和管理在ATM和在帧中继网络中，非对称带宽的流量路径。

• 在帧中继或ATM网络中，规范发送流量速率。

• 只应用于输出方向

• 超过的流量将被放到缓冲区，直到缓冲区满为止

• 超出的数据包放入缓冲区可以减少TCP的重传

• 不支持数据包标记和重标记

• 整形支持帧中继的拥塞指示

基于类的成形有两种成形方法：

? 整形到配置的平均速率(平均速率）

? 成形到峰值速率(峰值速率）

Average rate（平均速率）是以配置的平均速率转发数据包，当有额外令牌可用时，允许突发到Bc。这是更常用的方法。

峰值速率是指在每个Tc以高达Bc+Be的峰值速率转发数据包。但是，在网络拥塞期间，在CIR上方发送的流量可能会下降。在以下情况下建议峰值速率成形：

网络有额外的可用带宽

应用程序可以容忍偶尔的数据包丢失

流量整形配置

access-list 101 permit ip host 2.2.2.2 host 5.5.5.5	class-map match-all R2-R5 match access-group 101								policy-map R2-R5 class R2-R5  shape average 8000 1000 1000/做流量整形，承诺速率为8000bit，BC为1000，Be为1000,超出的流量缓存/

Link Efficiency 链路效率

链路有效机制往往部署在低速的广域网链路，以增加吞吐量，降低时延和抖动

• 报头压缩减少了数据包报头的大小。
• 有效载荷大小不被改变。
• Example: （基于类的）的TCP和（基于类的）RTP头压缩
• 报头压缩增加延迟并降低串行化的延迟

TCP报头压缩和基于类的TCP报头压缩：

• 压缩IP和TCP报头
• 用来降低TCP报文段的开销
• 对传输小型有效载荷和许多TCP会话连接非常有效（例如，远程登录）

RTP报头压缩和基于类的RTP头压缩：

• 压缩的IP，UDP和RTP报头
• 用于RTP，减少延迟并提高吞吐量
• 提高语音质量
• 最有效的慢速链接

大多数Internet应用程序使用TCP作为传输协议。

IP (20 bytes) and TCP (20 bytes) use 40 bytes.

TCP报头压缩可以压缩到3~5个字节。

基于类的TCP报头压缩允许基于流量分类来压缩

基于类的TCP报头压缩是通过MQC配置。

配置

class-map interactive match protocol telnet!policy-map cust1 class interactive  bandwidth 64 compression header ip tcp!<output omitted>!int s0/0service-policy output cust1<output omitted>