八、QOS队列调度与报文丢弃

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QOS队列调度与报文丢弃

前面的优先级映射或MQC对报文进行分类和标记，分类之后要做什么？就是根据分类的结果对报文进行流量控制处理。拥塞管理和拥塞避免就是两种流量控制手段。

如下：当LSW1上行流量大于接口带宽时，那么在出方向就有可能发生网络拥塞，此时就需要配置拥塞管理和拥塞避免。

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1、拥塞管理

当网络硬件设备能力无法承载各种应用对带宽的需求时，网络拥塞无法避免。拥塞管理就是在网络发生拥塞时，通过队列技术对流量进行管理和控制，优先保证某类报文的时延等QOS服务质量。

队列就好比我们平时去银行办理业务时需要排队，假设银行只提供一个窗口服务，当出现VIP，VIP的业务被优先处理，当VIP办理完毕，普通用户才能继续办理业务。

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2、拥塞管理技术

拥塞管理技术的基础是队列技术，交换机上每个出接口都有8个列队，分别为0-7，每个列队可以缓存一定的报文数量。当网络发生拥塞时，报文会根据本地优先级与队列之间的映射关系，自动将报文流送入不同的队列。不同的拥塞管理技术就可以根据各自的调度算法，实现对队列流量按照优先级发送。

下面介绍常用的两种调度方式。PQ调度、WRR调度。

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2.1、PQ调度

优先队列PQ（Priority Queuing）调度。严格按照队列优先级的高低顺序进行调度。只有高优先级队列报文全部调度完毕，低优先级才有调度机会。配置PQ调度后，按照7-0的优先级依次进行调度，发送报文。

假设银行只有一个窗口服务，用户根据自己银行卡的额度取号排队时，分为A、B、C三种号，按照级别规定优先级A>B>C。即A号段的顾客优先服务，当没有A，B号段的顾客获得服务，依次进行。这种方式缺点也很明显，B和C号段的用户可能因为长时间得不到服务而产生强烈不满。

如图：队列优先级1>2>3，报文出队的时候，首先让高优先级中的报文发送，直到高优先级报文发送完，然后发送中等优先级报文，直到发送完，在发送低优先级列队。

如果中级优先级在等待过程中，高优先级队列还有报文不停的进入队列，则中优先级始终处于等待状态。

如果高优先级发送完毕，中优先级队列中报文4、5已经发送完毕，在报文6被发送之前，高优先级队列又有报文进入队列，则优先处理高优先级报文。

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2.2、WRR调度

加权轮询调度WRR（Weight Round Robin）在队列之间进行轮流调度，根据每个队列的权重来调度各队列中的报文流。

如果银行有3个窗口工作且采用WRR调度方式，三个窗口权重比例：50、25、25，按照业务熟练程度，VIP窗口处理2位客户时，另外两个窗口分别处理一个客户，这样保证所有窗口的客户都可以得到服务，但是VIP客户排队时间更短。

交换机根据每个队列的权值进行轮询调度。调度一轮计数器减1，计数器减到0的队列不参加调度。当所有队列的计数器减到0时，开始新一轮调度。详细过程如下：

首先计数器初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

第一次轮询：
从队列1取出报文1发送，Count [1] =1；从队列2取出报文5发送，Count [2] =0，从队列3取出报文8发送，Conut [3] =0。

第二次轮询：
从队列1取出报文2发送，Count [1] =0；由于Count [2] =0，Conut [3] =0。队列2和队列3不参与次轮调度。
此时，Count [1] =0；由于Count [2] =0，Conut [3] =0，计数器重新初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

第三次轮询：
从队列1取出报文3发送，Count [1] =1；从队列2取出报文6发送，Count [2] =0，从队列3取出报文9发送，Conut [3] =0。

第四个轮询：
从队列1取出报文4发送，Count [1] =0，由于Count [2] =0，Conut [3] =0。队列2和3不参与次轮调度。

此时，Count [1] =0，Count [2] =0，Conut [3] =0。将计数器重新初始化：Count [1] =2，Count [2] =1 ，Conut [3] =1。

从以上统计看，各队列中的报文被调度的次数与该队列的权值成正比，权值越大被调度的次数相对越多。如果该端口带宽为100Mbit/s，则可以保证最低权重的队列至少获得25Mbit/s带宽，避免了采用PQ调度时，低优先级中的报文可能很长时间得不到服务的缺点。但是WRR调度无法保证对时延要求高的业务报文优先发送。

PQ调度和WRR调度各有优缺点，WRR调度可以根据相对公平的调度机制，保证各业务都能得到一定的服务，但是对低时延业务无法保证及时调度。PQ调度可以保证低时延业务及时调度，但是存在低优先级业务一直无法被调度情况。因此，实际组网中通常使用PQ WRR混合调度方式来实现拥塞管理。通常将对时延要求较高的业务流量进入的队列配置PQ调度，其他队列配置为WRR调度。当PQ队列有流量时，优先处理。PQ队列没有流量在按照WRR队列进行调度。

对于盒式交换机，如果配置PQ WRR混合调度，只需要将配置PQ调度的队列权重配置为0即可。

假设需要配置队列1为PQ调度，队列2和队列5为WRR调度。以S5720EI为例。

[LSW1] interface GigabitEthernet 0/0/3
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos wrr
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos queue 1 wrr weight 0 //配置队列1为PQ调度
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos queue 2 wrr weight 40
[LSW1-GigabitEthernet0/0/3] qos queue 5 wrr weight 60

对于框式交换机，如果要配置PQ WRR混合调度，只需要将对应的队列设置为PQ调度。

[LSW1] interface GigabitEthernet 1/0/3
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos pq 1 //配置队列1为PQ调度
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos queue 2 wrr weight 40
[LSW1-GigabitEthernet1/0/3] qos queue 5 wrr weight 60

除了上述调度，交换机还支持DRR、WFQ等多种拥塞管理方法。

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2.3、DRR调度

DRR（Deficit Round Robin）调度也是循环调度，但是相对于WRR只考虑报文个数的问题。DRR同时考虑报文的大小，在调度过程中考虑包长因素以达到调度速率公平性。DRR调度中，Deficit表示队列的带宽赤子，初始值为0。每次调度前，系统按权重为各队列分配带宽，计算Deficit值，如果队列的Deficit值大于0。则不参与调度。

假如我们规定银行3个窗口根据现金额度来办理业务，按照2：1：1权重为VIP窗口和两个普通窗口分配现金，现在每轮为VIP客户分配5000元现金，为普通窗口分配2500元现金。

第一轮：VIP客户提取10000元，但是2个普通用户分别提取2000元，则VIP窗口在办完第一轮业务后剩余额度为-5000，普通窗口额度分别为500元。

第二轮：VIP窗口分配5000元，额度为0，普通分配2500元额度为3000。因此在第二轮VIP窗口不办理业务，普通窗口办理业务。

如此循环调度的话，DRR调度还是没能解决WRR调度中低延时需求业务得不到及时调度的问题。

单采用DRR调度的话，对于时延需求的业务如语音视频，得不到优先调度，如果将两种方式结合起来PQ+WDRR调度，不仅能发挥两种调度优势，还能克服两种调度的各自缺点。

和PQ+WRR调度一样，接口上的8个队列可以分为两组，用户可以指定其中的某几组队列进行PQ调度，其他进行WDRR调度。

在调度时，首先按照PQ优先调度7-5队列，等全部调度完毕，才开始以DRR调度4-0。

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2.4、WFQ调度

公平队列FQ（Fair Queuing）的目的是尽可能公平的分项网络资源，使所有流的延迟和抖动达到最优。

不同的队列获得公平的调度机会，总体上均衡各个流的延迟。短报文和长报文获得公平调度，如果不同队列间同时存在多个长报文和短报文等待发送。让短报文优先获得调度，总体上减少各个流的报文间的抖动。

与FQ相比，WFQ（Weighted Fair Queue）在计算报文调度次序时增加了优先权方面的考虑，从统计上，WFQ使高优先权的报文获得优先调度的机会多于低优先级的报文。

WFQ调度在报文入队列之前，先对流量进行分类，两种方式分类：

1、按流的会话信息分类

根据报文的协议类型、源和目的TCP或UDP端口号、源和目的IP地址，ToS域中的优先级位等自动进行分类，并且尽可能多的提供队列，以将每个流均匀的放入不同的队列中，从而在总体上均衡各个流的延迟，在出队列时，WFQ按流的优先级来分配每个流应占有的带宽。优先级越小，获得带宽越少，反之。这种方式只有CBQ的Default-class支持。

2、按优先级分类

通过优先级映射把流量标记为本地优先级，每个本地优先级对应一个队列号，每个接口预分配8个队列，报文根据队列号进入队列。默认，队列的WFQ权重相同，流量平均分配接口带宽。用户可以修改权重，高优先权和低优先权按权重比例分配带宽。

WFQ调度图

PQ+WFQ调度和PQ+WRR相似，采用PQ，低优先列队中报文长期得不到带宽，而单纯采用WFQ调度时对时延需求业务语音得不到优先调度。

PQ+WFQ调度

在调度时，首先按照PQ方式优先调度7-5队列中报文流，只有这些队列报文全部调度完毕，才开始以WFQ方式调度4-0队列中的报文流。4-0队列包含自己的权值。

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3、拥塞管理应用场景

拥塞管理可以实现对不同的业务按照不同的优先级进行调度，在QOS方案部署中比较常用。

在企业网络中，当共享同一网络的多种业务竞争相同的资源时，可能会产生拥塞，高优先级业务无法得到保证，此时用户可以为语音、视频和数据等多种不同业务标记不同的优先级，报文根据不同优先级进入不同队列的调度算法，实现业务的差分服务。

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4、拥塞避免

拥塞避免（Congestion Avoidance）是指通过监视网络资源（如队列或内存缓冲区）的使用情况，在拥塞发生或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的一种流控机制。

两种丢弃报文方式：尾部丢包策略和WRED

1、传统的尾部丢包策略

传统的丢包策略采用尾部丢弃（Tail-Drop）的方法。当队列的长度达到最大值后，所有新入队列的报文（缓存在队列尾部）都将被丢弃。

这种丢弃策略会引发TCP全局同步现象，导致TCP连接始终无法建立。所谓TCP全局同步现象如图，三种颜色表示三条TCP连接，当同时丢弃多个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而导致流量降低，之后又会在某个时间同时出现流量高峰，如此反复，使网络流量忽大忽小。

2、WRED

为避免TCP全局同步现象，出现了RED（Random Early Detection）技术。RED通过随机地丢弃数据报文，让多个TCP连接不同时降低发送速度，从而避免了TCP的全局同步现象。使TCP速率及网络流量都趋于稳定。

流队列支持基于DSCP或IP优先级进行WRED丢弃。每一种优先级都可以独立设置报文丢包的上下门限及丢包率。当队列中报文的总长度达到丢弃的下限时，开始丢包。随着队列中报文总长度的增加，丢包率不断增加，最高丢包率不超过设置的丢包率。直至队列中报文的总长度达到丢弃的上限，报文全部丢弃。这样按照一定的丢弃概率主动丢弃队列中的报文，从而在一定程度上避免拥塞问题。

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5、拥塞避免应用场景

拥塞避免可以在网络产生拥塞、或者拥塞加剧时，主动丢弃优先级较低的报文，调整网络流量，缓解网络压力，以保证高优先级报文正常通过。

当两个局域网用户需要通过广域网进行通信时，由于广域网带宽小于局域网的带宽，位于广域网和局域网之间的边缘交换机将发生拥塞，此时可以通过配置拥塞避免，主动丢弃优先级较低的报文（比如数据报文等），减少网络的拥塞，保证高优先级业务正常运行。