QOS隊列調度與報文丟棄

• QOS隊列調度與報文丟棄
• 1、擁塞管理
• 2、擁塞管理技術
• 2.1、PQ調度
• 2.2、WRR調度
• 2.3、DRR調度
• 2.4、WFQ調度
• 3、擁塞管理應用場景
• 4、擁塞避免
• 5、擁塞避免應用場景

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QOS隊列調度與報文丟棄

前面的優先級映射或MQC對報文進行分類和標記，分類之后要做什么？就是根據分類的結果對報文進行流量控制處理。擁塞管理和擁塞避免就是兩種流量控制手段。

如下：當LSW1上行流量大于接口帶寬時，那么在出方向就有可能發生網絡擁塞，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

當網絡硬件設備能力無法承載各種應用對帶寬的需求時，網絡擁塞無法避免。擁塞管理就是在網絡發生擁塞時，通過隊列技術對流量進行管理和控制，優先保證某類報文的時延等QOS服務質量。

隊列就好比我們平時去銀行辦理業務時需要排隊，假設銀行只提供一個窗口服務，當出現VIP，VIP的業務被優先處理，當VIP辦理完畢，普通用戶才能繼續辦理業務。

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2、擁塞管理技術

擁塞管理技術的基礎是隊列技術，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量。當網絡發生擁塞時，報文會根據本地優先級與隊列之間的映射關系，自動將報文流送入不同的隊列。不同的擁塞管理技術就可以根據各自的調度算法，實現對隊列流量按照優先級發送。

下面介紹常用的兩種調度方式。PQ調度、WRR調度。

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2.1、PQ調度

優先隊列PQ（Priority Queuing）調度。嚴格按照隊列優先級的高低順序進行調度。只有高優先級隊列報文全部調度完畢，低優先級才有調度機會。配置PQ調度后，按照7-0的優先級依次進行調度，發送報文。

假設銀行只有一個窗口服務，用戶根據自己銀行卡的額度取號排隊時，分為A、B、C三種號，按照級別規定優先級A>B>C。即A號段的顧客優先服務，當沒有A，B號段的顧客獲得服務，依次進行。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而產生強烈不滿。

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

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

如果高優先級發送完畢，中優先級隊列中報文4、5已經發送完畢，在報文6被發送之前，高優先級隊列又有報文進入隊列，則優先處理高優先級報文。

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2.2、WRR調度

加權輪詢調度WRR（Weight Round Robin）在隊列之間進行輪流調度，根據每個隊列的權重來調度各隊列中的報文流。

如果銀行有3個窗口工作且采用WRR調度方式，三個窗口權重比例：50、25、25，按照業務熟練程度，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，但是VIP客戶排隊時間更短。

交換機根據每個隊列的權值進行輪詢調度。調度一輪計數器減1，計數器減到0的隊列不參加調度。當所有隊列的計數器減到0時，開始新一輪調度。詳細過程如下：

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

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

第二次輪詢：
從隊列1取出報文2發送，Count [1] =0；由于Count [2] =0，Conut [3] =0。隊列2和隊列3不參與次輪調度。
此時，Count [1] =0；由于Count [2] =0，Conut [3] =0，計數器重新初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

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

第四個輪詢：
從隊列1取出報文4發送，Count [1] =0，由于Count [2] =0，Conut [3] =0。隊列2和3不參與次輪調度。

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

從以上統計看，各隊列中的報文被調度的次數與該隊列的權值成正比，權值越大被調度的次數相對越多。如果該端口帶寬為100Mbit/s，則可以保證最低權重的隊列至少獲得25Mbit/s帶寬，避免了采用PQ調度時，低優先級中的報文可能很長時間得不到服務的缺點。但是WRR調度無法保證對時延要求高的業務報文優先發送。

PQ調度和WRR調度各有優缺點，WRR調度可以根據相對公平的調度機制，保證各業務都能得到一定的服務，但是對低時延業務無法保證及時調度。PQ調度可以保證低時延業務及時調度，但是存在低優先級業務一直無法被調度情況。因此，實際組網中通常使用PQ WRR混合調度方式來實現擁塞管理。通常將對時延要求較高的業務流量進入的隊列配置PQ調度，其他隊列配置為WRR調度。當PQ隊列有流量時，優先處理。PQ隊列沒有流量在按照WRR隊列進行調度。

對于盒式交換機，如果配置PQ WRR混合調度，只需要將配置PQ調度的隊列權重配置為0即可。

假設需要配置隊列1為PQ調度，隊列2和隊列5為WRR調度。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混合調度，只需要將對應的隊列設置為PQ調度。

[LSW1] interface GigabitEthernet 1/0/3
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos pq 1 //配置隊列1為PQ調度
[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調度

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

假如我們規定銀行3個窗口根據現金額度來辦理業務，按照2：1：1權重為VIP窗口和兩個普通窗口分配現金，現在每輪為VIP客戶分配5000元現金，為普通窗口分配2500元現金。

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務后剩余額度為-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窗口不辦理業務，普通窗口辦理業務。

如此循環調度的話，DRR調度還是沒能解決WRR調度中低延時需求業務得不到及時調度的問題。

單采用DRR調度的話，對于時延需求的業務如語音視頻，得不到優先調度，如果將兩種方式結合起來PQ+WDRR調度，不僅能發揮兩種調度優勢，還能克服兩種調度的各自缺點。

和PQ+WRR調度一樣，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行PQ調度，其他進行WDRR調度。

在調度時，首先按照PQ優先調度7-5隊列，等全部調度完畢，才開始以DRR調度4-0。

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2.4、WFQ調度

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

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

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

WFQ調度在報文入隊列之前，先對流量進行分類，兩種方式分類：

1、按流的會話信息分類

根據報文的協議類型、源和目的TCP或UDP端口號、源和目的IP地址，ToS域中的優先級位等自動進行分類，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按流的優先級來分配每個流應占有的帶寬。優先級越小，獲得帶寬越少，反之。這種方式只有CBQ的Default-class支持。

2、按優先級分類

通過優先級映射把流量標記為本地優先級，每個本地優先級對應一個隊列號，每個接口預分配8個隊列，報文根據隊列號進入隊列。默認，隊列的WFQ權重相同，流量平均分配接口帶寬。用戶可以修改權重，高優先權和低優先權按權重比例分配帶寬。

WFQ調度圖

PQ+WFQ調度和PQ+WRR相似，采用PQ，低優先列隊中報文長期得不到帶寬，而單純采用WFQ調度時對時延需求業務語音得不到優先調度。

PQ+WFQ調度

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

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3、擁塞管理應用場景

擁塞管理可以實現對不同的業務按照不同的優先級進行調度，在QOS方案部署中比較常用。

在企業網絡中，當共享同一網絡的多種業務競爭相同的資源時，可能會產生擁塞，高優先級業務無法得到保證，此時用戶可以為語音、視頻和數據等多種不同業務標記不同的優先級，報文根據不同優先級進入不同隊列的調度算法，實現業務的差分服務。

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4、擁塞避免

擁塞避免（Congestion Avoidance）是指通過監視網絡資源（如隊列或內存緩沖區）的使用情況，在擁塞發生或有加劇的趨勢時主動丟棄報文，通過調整網絡的流量來解除網絡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、傳統的尾部丟包策略

傳統的丟包策略采用尾部丟棄（Tail-Drop）的方法。當隊列的長度達到最大值后，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TCP全局同步現象，導致TCP連接始終無法建立。所謂TCP全局同步現象如圖，三種顏色表示三條TCP連接，當同時丟棄多個TCP連接的報文時，將造成多個TCP連接同時進入擁塞避免和慢啟動狀態而導致流量降低，之后又會在某個時間同時出現流量高峰，如此反復，使網絡流量忽大忽小。

2、WRED

為避免TCP全局同步現象，出現了RED（Random Early Detection）技術。RED通過隨機地丟棄數據報文，讓多個TCP連接不同時降低發送速度，從而避免了TCP的全局同步現象。使TCP速率及網絡流量都趨于穩定。

流隊列支持基于DSCP或IP優先級進行WRED丟棄。每一種優先級都可以獨立設置報文丟包的上下門限及丟包率。當隊列中報文的總長度達到丟棄的下限時，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置的丟包率。直至隊列中報文的總長度達到丟棄的上限，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、擁塞避免應用場景

擁塞避免可以在網絡產生擁塞、或者擁塞加劇時，主動丟棄優先級較低的報文，調整網絡流量，緩解網絡壓力，以保證高優先級報文正常通過。

當兩個局域網用戶需要通過廣域網進行通信時，由于廣域網帶寬小于局域網的帶寬，位于廣域網和局域網之間的邊緣交換機將發生擁塞，此時可以通過配置擁塞避免，主動丟棄優先級較低的報文（比如數據報文等），減少網絡的擁塞，保證高優先級業務正常運行。

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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