QoS学习笔记

相关协议
1) 802.1Q Virtual Bridged Local Area Networks
2) MEF5 Traffic Management
3) MEF10.2 Ethernet Services Attributes

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服务模型
通常QoS提供以下三种服务模型（服务模型，是指一组端到端的QoS功能）：
1)Best-Effort service（尽力而为服务模型）
2)Integrated service（综合服务模型，简称IntServ）
3)Differentiated service（区分服务模型，简称DiffServ）

Best-Effort服务模型，网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。
Best-Effort服务是现在Internet的缺省服务模型，它适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等，它通过FIFO队列来实现。

IntServ服务模型，在发送报文前，需要向网络申请特定的服务。
这个请求是通过信令RSVP(Resource Reservation Protocol)来完成的。

DiffServ服务模型，网络不需要为每个流维护状态，它根据每个报文的差分服务类，来提供特定的服务。

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QoS技术包括流分类、流量监管、流量整形、接口限速、拥塞管理、拥塞避免等。
流分类：采用一定的规则识别符合某类特征的报文，它是对网络业务进行区分服务的前提和基础。
流量监管：对进入或流出设备的特定流量进行监管。当流量超出设定值时，可以采取限制或惩罚措施，以保护网络资源不受损害。可以作用在接口入方向和出方向。
流量整形：一种主动调整流的输出速率的流量控制措施，用来使流量适配下游设备可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃和延迟，通常作用在接口出方向。
拥塞管理：就是当拥塞发生时如何制定一个资源的调度策略，以决定报文转发的处理次序，通常作用在接口出方向。
拥塞避免：监督网络资源的使用情况，当发现拥塞有加剧的趋势时采取主动丢弃报文的策略，通过调整队列长度来解除网络的过载，通常作用在接口出方向。

QoS策略包含了三个要素：类、流行为、策略。
用户可以通过QoS策略将指定的类和流行为绑定起来，灵活地进行QoS配置。
用户可以通过命令定义一系列的规则来对报文进行分类。同时用户可以指定规则之间的关系：and或者or。
流行为用来定义针对报文所做的QoS动作。用户可以通过命令在一个流行为中定义多个动作。
策略用来将指定的类和流行为绑定起来，对分类后的报文执行流行为中定义的动作。用户可以在一个策略中定义多个类与流行为的绑定关系。

1. 流分类(Traffic Classification)
流分类策略除可以包括IP报文的IP优先级或DSCP值、802.1Q的VLAN Priority Code Point (PCP)值等带内信令，还可以包括输入接口、源IP地址、目的IP地址、MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等。

(1) 基于IP 优先级的业务分类
IPv4报文在IP报文头的ToS(Type of Service)域中定义了8种IP业务类型。

(2) 基于DSCP(Differentiated Services Codepoint) 的业务分类
DiffServ模型定义了64种业务类型。

(3) 以太网QoS业务分类
802.1Q VLAN Tag的PCP字段(3Bit)定义了以下8种Traffic types。
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Traffic Types　　　　　　Acronym　Priority　协议举例　　　　　　业务特征
Network Control　　　　NC　　　　7　　　　BGP, PIM, SNMP 　网络维护与管理报文的可靠传输，要求低丢包率
InternetWork Control　IC　　　　6　　　　STP, OSPF, RIP 　　大型网络中区分于普通流量的网络协议控制报文
Voice　　　　　　　　　　VO 　　　5 　　　　SIP, MGCP 　　　　适用于语音业务，一般要求时延小于10 ms
Video　　　　　　　　　　VI 　　　4 　　　　　RTP 　　　　　　　适用于视频业务，一般要求时延小于 100 ms
Critical Applications　　　CA 　　　3 　　　　NFS, SMB, RPC　　 适用于要求确保最小带宽的业务
Excellent Effort　　　　　EE 　　　2 　　　　SQL 　　　　　　　　用于一般的信息组织向最重要的客户发送信息
Best Effort　　　　　　　BE 　　　0(default) HTTP, IM, X11　　　 缺省业务类型，只要求"尽力而为"的服务质量
Background　　　　　　BK 　　　1 　　　　　FTP, SMTP 　　　　适用于不影响用户或关键应用的批量传输业务
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关于Traffic Type 和Priority的默认对应关系，注意由于缺省的发送Priority是0，缺省的Traffic Type是Best Effort，所以Best Effort的Priority为0。(The default priority used for transmission by end stations is 0. Changing this default would result in confusion and likely in interoperability problems. At the same time, the default traffic type is definitely Best Effort. 0 is thus used both for default priority and for Best Effort, and Background is associated with a priority value of 1. This means that the value 1 effectively communicates a lower priority than 0.)

802.1Q推荐的Traffic Type到队列的映射关系的映射关系定义。
Number of queues / Traffic types
1　　{Best Effort, Background, ..., Network Control}
2　　{Best Effort, Background, Excellent effort, Critical Applications}
　　　{Voice, Video, Internetwork Control, Network Control}
3　　{Best Effort, Background, Excellent effort, Critical Applications}
　　　{Voice, Video}
　　　{Network Control, Internetwork Control}
4 　　{Best Effort, Background}
　　　{Critical Applications, Excellent effort}
　　　{Voice, Video}
　　　{Network Control, Internetwork Control}
5 　　{Best Effort, Background}
　　　{Critical Applications, Excellent effort}
　　　{Voice, Video}
　　　{Internetwork Control}
　　　{Network Control}
6 　　{Background}
　　　{Best Effort}
　　　{Critical Applications, Excellent effort}
　　　{Voice, Video}
　　　{Internetwork Control}
　　　{Network Control}
7 　　{Background}
　　　{Best Effort}
　　　{Excellent effort}
　　　{Critical Applications}
　　　{Voice, Video}
　　　{Internetwork Control}
　　　{Network Control}
8 　　{Background}
　　　{Best Effort}
　　　{Excellent effort}
　　　{Critical Applications}
　　　{Video}
　　　{Voice}
　　　{Internetwork Control}
　　　{Network Control}

2．流量监管(Traffic Policing)
约定访问速率（Committed Access Rate: CAR）
采用令牌桶（Token Bucket）对流量的规格进行评估。
令牌桶可以看作是一个存放一定数量令牌的容器。系统按设定的速度向桶中放置令牌，当桶中令牌满时，多出的令牌溢出，桶中令牌不再增加。
每到达一个报文就进行一次评估。每次评估，如果桶中有足够的令牌可供使用，则说明流量控制在允许的范围内，此时要从桶中取走与报文转发权限相当的令牌数量；否则说明已经耗费太多令牌，流量超标了。

MEF 制定了Bandwidth Profile parameters <CIR, CBS, EIR, EBS, CF, CM>.
1)Committed Information Rate(CIR)，承诺信息速率，单位bits/秒，正常情况下业务的平均速率，>=0。
2)Committed Burst Size(CBS) ，承诺突发长度，单位bytes，正常情况下业务的突发报文大小，当CIR大于0时CBS必须大于或等于业务中最大报文长度(MTU)。
3)Excess Information Rate(EIR) ，扩展信息速率，单位bits/秒，业务可以占用的扩展带宽，>=0。
4)Excess Burst Size(EBS) ，扩展突发长度，单位bytes，占用扩展带宽的业务的突发报文大小，当EIR大于0时EBS必须大于或等于业务中最大报文长度。
5)Coupling Flag(CF) ，耦合标志，一个bool型参数，取值为0或1。
6)Color Mode(CM) ，颜色识别模式，只有两个取值，color-blind或者color-aware。

每个从UNI进入的业务报文都会依照带宽限制的执行准则根据一定的带宽限制算法被判断、标记不同的服务级别：绿色、黄色或者红色。
CIR是业务帧根据业务性能进行传递的平均速率，CIR必须大于等于0。把和CIR一致的业务帧标记为绿色。平均速率超过CIR的业务帧与CIR不一致，可以把它们标记为黄色(如果EIR非0)，也可以丢弃(如果EIR等于O)。CIR为0意味着业务供应商没有提供带宽或者没有为传递用户业务帧提供性能保证。这就是通常所说的"尽力而为"业务，此时所有的业务帧都被标记为黄色。非O的CIR可以定义为小于或者等于UNI(User Network Interface)速率。如果在UNI上应用多个带宽轮廓，那么每个带宽轮廓的CIR值的总和必须小于或者等于UNI速率。
CBS是和CIR一致的业务帧的最大字节数。CBS的值和应用的类型或者业务支持的的流量有关系。例如，对于一个支持具有突发性的基于TCP的数据应用来讲，CBS会远远大于支持速率比较恒定的基于用户数据报协议(UDP)的应用的业务，例如VoIP。
EIR定义了大于等于CIR的可以进入供应商网络的业务帧。注意这些业务帧和CIR不一致因此它会没有任何性能保证地进行传递。EBS是指和EIR一致的业务帧最大的字节数。和EIR一致的业务帧被标记为黄色。平均速率大于EIR的业务帧属于和EIR不一致的业务帧被标记为红色，会被丢弃。
从用户的角度，带宽轮廓定义了在UNI允许进入供应商网络的满足"承诺信息速率(CIR)"以及"超额信息速率(EIR)"的以太网业务帧。允许没有超过"承诺"信息速率的业务帧进入供应商网络并且根据业务性能指标进行传递，需要承诺保证这部分报文的服务质量,例如时延、丢失率以及可用性等。这些业务帧属于"轮廓内"或者和带宽轮廓"一致的"业务帧。到达时高于CIR但是没有超出EIR的业务帧也允许进入网络，但是不承诺这部分报文的服务质量，报文的延迟、抖动可能很大，甚至会被大量丢弃。这些业务帧属于"轮廓外"或者和带宽轮廓"不一致的"业务帧。

MEF规定的Bandwidth Profile 算法如下：

但事实上上述算法只是一套理论上的执行过程，实际的网络设备或许无法完全按照上述过程执行，所以只要设备能够使执行结果和上述算法的结果近似即可。这样我们可以用两个简单的公式来实现类似的效果，即在任何时间段 ti 到 tj 内：
进入UNI的绿色报文数量不超过WG，其中WG≥Bc(ti)+CIR×（tj－ti）；
进入UNI的黄色报文数量不超过WY，其中WY≥Be(ti)+EIR×（tj－ti）；
针对黄色报文的带宽限制方式有两种，CF标志位的作用就是确定该UNI使用哪一种。具体来说，当CF位被置0的情况下，黄色报文的长期平均进入速率只要不超过EIR即可；当CF被置1的情况下，黄色报文的长期平均进入速率被限制在CIR+EIR减去绿色报文的进入速率。不管采用那种方式，黄色报文的突发速率总不超过EBS。(The Coupling Flag CF is set to either 0 or 1. The choice of the value for CF has the effect of con-trolling the volume of the Service Frames that are declared Yellow. When CF is set to 0, the long term average bit rate of Service Frames that are declared Yellow is bounded by EIR. When CF is set to 1, the long term average bit rate of Service Frames that are declared Yellow is bounded by CIR + EIR depending on volume of the offered Service Frames that are declared Green. In both cases the burst size of the Service Frames that are declared Yellow is bounded by EBS.)
简单来讲，CF置1等同于C桶溢出的令牌可以加到E桶。

3. 流量整形(TS: Traffic Shaping）
通用流量整形（Generic Traffic Shaping: GTS）
GTS与CAR一样，均采用了令牌桶技术来控制流量。GTS与CAR的主要区别在于：利用CAR进行报文流量控制时，对不符合流量特性的报文进行丢弃；而GTS对于不符合流量特性的报文则是进行缓冲，减少了由突发流量造成的报文的丢弃。流量整形与流量监管的另一区别是，整形可能会增加延迟，而监管几乎不引入额外的延迟。

整形的目的是减少突发流量(Shaping is a procedure to reduce the burstiness of traffic. A shaper is de-fined by a set of parameters. Those parameters should be chosen to ensure that the delay introduced by shaping function is bounded within the acceptable limits and that the traffic dropped at the shaper is kept to a minimum.)
MEF规定了2种算法。A shaper could be a single rate or a double rate shaper.
1)Single Rate Shaper
A single rate shaper could consist of three parameters CIR, CBS*, and CBS, in which:
CIR = the shaping rate of Green packets (average output rate of the shaper),
CBS = the shaping burst of Green packets (maximum output burst of the shaper)
CBS* = the accepted burst of Green packets (maximum buffer size for Green packets)
CBS* >= CBS, which means the shaper accepts larger burst at its input and generates smaller bursts at its output.

2)Double Rate Shaper

A double rate shaper could consist of parameters CIR, CBS*, CBS, EIR, EBS*, and EBS, in which, CIR, CBS*, and CBS are as defined above, and EIR, EBS*, and EBS are:
EIR = the shaping rate of Yellow packets (average output rate of the shaper),
EBS = the shaping burst of Yellow packets (maximum output burst of the shaper)
EBS* = the accepted burst of Yellow packets (maximum buffer size for Yellow packets)
EBS* >= EBS, which means the shaper accepts larger burst at its input and generates smaller bursts at its output.

4. 拥塞管理
使用队列技术。常用的队列有:
FIFO(First In First Out Queuing)、
PQ(Priority Queuing)、
CQ(Custom Queuing)、
WFQ(Weighted Fair Queuing)、
CBWFQ(Class Based Weighted Fair Queuing)、
RTPQ(Real-time Transport Protocol Queuing)等。

5. 拥塞避免(Congestion Avoidance)
它可以通过监视网络资源（如队列或内存缓冲区）的使用情况，在拥塞有加剧的趋势时，主动丢弃报文，通过调整网络的流量来解除网络过载。
传统的丢包策略采用尾部丢弃（Tail-Drop）的方法。当队列的长度达到某一最大值后，所有新到来的报文都将被丢弃。这种丢弃策略会引发TCP全局同步现象：当队列同时丢弃多个TCP连接的报文时，将造成多个TCP连接同时进入拥塞避免和慢启动状态以降低并调整流量，而后又会在某个时间同时出现流量高峰，如此反复，使网络流量不停震荡。
为避免TCP全局同步现象，可使用RED（Random Early Detection，随机早期检测）或WRED（Weighted Random Early Detection，加权随机早期检测）。RED和WRED通过随机丢弃报文避免了TCP的全局同步现象，使得当某个TCP连接的报文被丢弃、开始减速发送的时候，其他的TCP连接仍然有较高的发送速度。这样，无论什么时候，总有TCP连接在进行较快的发送，提高了线路带宽的利用率。

在RED类算法中，为每个队列都设定上限和下限，对队列中的报文进行如下处理：
-当队列的长度小于下限时，不丢弃报文；
-当队列的长度超过上限时，丢弃所有到来的报文；
-当队列的长度在上限和下限之间时，开始随机丢弃到来的报文。队列越长，丢弃概率越高，但有一个最大丢弃概率。
直接采用队列的长度和上限、下限比较并进行丢弃，将会对突发性的数据流造成不公正的待遇，不利于数据流的传输。RED类算法采用平均队列长度和设置的队列上限、下限比较来确定丢弃的概率。计算队列平均长度的公式为：
平均队列长度 =（以前的平均队列长度×（1-1/（2的n次方）））＋（当前队列长度×（1/（2的n
次方））），其中n可以通过命令配置。队列平均长度既反映了队列的变化趋势，又对队列长度的突发变化不敏感，避免了对突发性数据流的不公正待遇。

WRED算法在RED算法的基础上引入了优先权，考虑了高优先权报文的利益，使其被丢弃的概率相对较小。如果对于所有优先权配置相同的丢弃策略，那么WRED就变成了RED。(W-RED actually allows a set of parameters for each color and DP so that packets with different colors or DPs have different random early discarding behavior. Therefore, W-RED is sometimes called color aware random early detection.)
如果设置EIR/EBS=0，那么所有的报文标记为绿色或者红色。红色的报文在进行阻塞管理前就已经被丢弃了，所有只有绿色的报文进入阻塞管理模块进行管理。这种情况下，RED和WRED的处理结果是一样的。(If only CIR/CBS policing is supported or if EIR/EBS = 0 Mbps, all packets after policing are marked as either green or red. The packets marked as red are dropped before processed by congestion avoidance block (RED or WRED). Only green-colored packets will be processed by the congestion avoidance block (RED or WRED). Since packets have only one color (Green) or DP = 0 only, the effect of RED or W-RED is the same since parameter sets for DP = 1 and 2 or other colors in W-RED will not take effect as there is no packet with DP = 1 or 2.)

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MEF
Metro Ethernet Forum（城域以太网论坛）提出了以太网的服务模型(Ethernet Services Model)：

两个或者多个UNI之间的连接被叫做EVC（Ethernet Virtual Connection，虚拟以太连接）。
一个EVC可以被看作是一个二层的双向通路，每个EVC都包含若干个UNI，或者说某个UNI从属于某某EVC，当报文从一个UNI进入EVC后，它会被按需转发到这个EVC中的其他UNI上。
MEF中提到了三种EVC的服务种类，点到点EVC（Point-to-Point EVC）、多点到多点EVC（Mutlipoint-to-Multipoint EVC）和根到多点EVC（Rooted-Multipoint EVC）。

做为一条承载二层业务的通道，有一类目的MAC以01-80-C2开头的特殊报文是必须要考虑的，这些报文是二层协议控制帧，每个EVC都需要具备识别和正确处理这些控制帧的能力，而不仅仅是简简单单透传或丢弃了事。
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MAC Addresses Description
01-80-C2-00-00-00 through 01-80-C2-00-00-0F Bridge Block of protocols
01-80-C2-00-00-20 through 01-80-C2-00-00-2F GARP Block of protocols
01-80-C2-00-00-10 All Bridges Protocol
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EVC约定服务性能属性：延迟（FD，Frame Delay ）、延迟抖动（FDV，Frame Delay Variation）和丢包率。这个约定仅仅针对被标记为绿色的报文，只需要保证在一个规定的时间长度内，绿色报文的延迟、延迟抖动和丢包率在约定的范围以内，黄色报文则不在这个约定之中，至于红色报文，它们在UNI上就已经被丢弃了，EVC中不会有这类报文。

MEF规定的端口带宽限制有三种。每种带宽限制属性也分为入方向和出方向。