以太網(wǎng)QoS技術(shù)研究及實(shí)踐

朱杰

（南京中興新軟件有限責(zé)任公司 江蘇省南京市 210012）

1 概述

QoS 是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行差異化管理的一種技術(shù)，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求為其提供端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源，允許不同流量不平等的競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源。特別在網(wǎng)絡(luò)擁塞的時(shí)候，可以優(yōu)先保證高優(yōu)先級(jí)報(bào)文得到優(yōu)先調(diào)度，進(jìn)而保證高優(yōu)先級(jí)流量的服務(wù)質(zhì)量。

2 技術(shù)綜述

QoS 主要有三種服務(wù)類型：盡力而為服務(wù)類型、綜合服務(wù)類型以及差分服務(wù)類型。本文所提到的技術(shù)是基于差分服務(wù)類型的。QoS 技術(shù)包括流量分類、流量監(jiān)管、流量整形、擁塞管理、擁塞避免等。

2.1 流量分類

流量分類是將數(shù)據(jù)報(bào)文劃分為多個(gè)優(yōu)先級(jí)或多個(gè)服務(wù)類，是進(jìn)行服務(wù)的前提，通常作用的接口入方向?？梢愿鶕?jù)報(bào)文輸入接口、源IP 地址、目的IP 地址、MAC 地址、IP協(xié)議或應(yīng)用程序的端口號(hào)進(jìn)行分類。

2.2 流量監(jiān)管

流量監(jiān)管是指監(jiān)管進(jìn)入到某一網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中的各種流量。對(duì)特定類型的流量設(shè)置一個(gè)門(mén)限，當(dāng)超出該門(mén)限的時(shí)候，則會(huì)對(duì)這種類型的流量進(jìn)行懲罰，懲罰的措施包括降低報(bào)文優(yōu)先級(jí)、丟棄改報(bào)文等。其達(dá)到的效果是，防止該流量因過(guò)大，導(dǎo)致其他的流量被擠掉。

2.3 流量整形

流量整形主要目的是保證報(bào)文從某端口出去的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生突發(fā)。當(dāng)上游帶寬大于下游帶寬的時(shí)候，經(jīng)?？梢酝ㄟ^(guò)瀏覽整形的方式，使得流量可以均勻的進(jìn)入下游流量。因此該技術(shù)主要應(yīng)用的端口的出向方向。

2.4 擁塞管理

擁塞管理是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，如何對(duì)報(bào)文進(jìn)行差異化調(diào)度管理。例如有兩種報(bào)文，其中一種報(bào)文有較高的優(yōu)先級(jí)，另外一種優(yōu)先級(jí)則較低，而低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文流量很大，導(dǎo)致將整個(gè)帶寬擠滿，此時(shí)如果不做擁塞管理，則這兩種報(bào)文會(huì)無(wú)差別丟包，而擁塞管理技術(shù)則可以將高優(yōu)先級(jí)報(bào)文入隊(duì)到單獨(dú)的隊(duì)列，低優(yōu)先級(jí)報(bào)文則入另外一個(gè)隊(duì)列，通過(guò)優(yōu)先調(diào)度高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文，保證高優(yōu)先級(jí)報(bào)文及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)出去。常見(jiàn)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法有：嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度、加權(quán)輪詢調(diào)度、加權(quán)公平調(diào)度和基于類的調(diào)度。

2.4.1 嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度

一般網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或芯片的每個(gè)端口又8 個(gè)隊(duì)列，他們的優(yōu)先級(jí)從到到底一次降低。當(dāng)這些隊(duì)列設(shè)置為嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度時(shí)，則系統(tǒng)設(shè)備或芯片則會(huì)優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先級(jí)最高的隊(duì)列中的報(bào)文，當(dāng)最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中沒(méi)有報(bào)文時(shí)，再調(diào)用次高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文，一直到最低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。

優(yōu)點(diǎn)：可以保證高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文及時(shí)得到調(diào)度。

缺點(diǎn)：如果高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中一直有報(bào)文時(shí)，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文則一直無(wú)法得到調(diào)度。

2.4.2 加權(quán)輪詢調(diào)度

加權(quán)輪詢調(diào)度是指各個(gè)隊(duì)列之間按照一定權(quán)重進(jìn)行調(diào)度。例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或芯片的每個(gè)端口8 個(gè)隊(duì)列，可以將這8個(gè)隊(duì)列按照一定的比例權(quán)重進(jìn)行配置，如隊(duì)列7～隊(duì)列0，權(quán)重配置為30:15:10:5:3:2:1:1，則該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或芯片則按照此比例對(duì)各個(gè)隊(duì)列中的報(bào)文進(jìn)行加權(quán)調(diào)度。

加權(quán)輪詢調(diào)度相對(duì)于嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度的好處在于，即使高優(yōu)先級(jí)中仍然有報(bào)文，低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文仍然有機(jī)會(huì)得到調(diào)度。

2.4.3 加權(quán)公平調(diào)度

加權(quán)公平調(diào)度和加權(quán)輪詢調(diào)度法類似，在權(quán)重算法上都支持 byte-count 和 weight，也支持SP 分組，可以相互替換。

兩者的不同之處在于：加權(quán)輪詢調(diào)度支持最大時(shí)延，可以保證所配置隊(duì)列中的報(bào)文從進(jìn)入隊(duì)列到離開(kāi)隊(duì)列的最大時(shí)間不超過(guò)所設(shè)定的最大時(shí)延；加權(quán)公平調(diào)度支持帶寬保證，可以保證端口流量擁塞時(shí)能夠獲得的最小隊(duì)列帶寬。

2.4.4 基于類的調(diào)度

基于類的調(diào)度是指使用者可以根據(jù)報(bào)文的特征進(jìn)行歸類，并為每個(gè)類分配一個(gè)獨(dú)立的隊(duì)列，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，可以根據(jù)用戶定義的規(guī)則進(jìn)行匹配調(diào)度。

2.5 擁塞避免

擁塞避免是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或芯片通過(guò)監(jiān)控其內(nèi)部的隊(duì)列使用情況，當(dāng)隊(duì)列中的報(bào)文超出其預(yù)先設(shè)置的門(mén)限時(shí)，主動(dòng)丟棄報(bào)文，進(jìn)而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的流量帶寬。

3 QoS實(shí)踐

3.1 問(wèn)題背景

圖1為一個(gè)典型的電信設(shè)備內(nèi)部板卡組合，圖中有3 塊線卡通過(guò)交換板與主控進(jìn)行通信，主要分為協(xié)議報(bào)文和控制報(bào)文，典型的協(xié)議報(bào)文如lacp 報(bào)文(以太類型為0x8809)、IP 報(bào)文(以太類型為0x0800)。其中協(xié)議報(bào)文優(yōu)先級(jí)高于控制報(bào)文，而控制報(bào)文的優(yōu)先級(jí)則由其自身攜帶的vlan 優(yōu)先級(jí)決定。當(dāng)報(bào)文從各個(gè)線卡發(fā)送到主控時(shí)，有可能導(dǎo)致流量擁塞而導(dǎo)致報(bào)文無(wú)差別丟包。特別是當(dāng)控制報(bào)文很多的時(shí)候，會(huì)沾滿整個(gè)鏈路帶寬，此時(shí)協(xié)議報(bào)文將會(huì)被擠掉。為了使的高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文優(yōu)先被調(diào)度，因此需要在交換板與主控板互聯(lián)的端口上做QOS。

圖1

3.2 方案設(shè)計(jì)

交換板主要使用以太網(wǎng)交換芯片進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，因此本實(shí)踐的QOS 主要配置在內(nèi)部的以太網(wǎng)交換芯片中。

如圖2所示，以太網(wǎng)交換芯片每個(gè)端口有8 個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列0 到隊(duì)列7，隊(duì)列優(yōu)先級(jí)依次升高，其中隊(duì)列5、6、7 三個(gè)隊(duì)列，優(yōu)先級(jí)配置為嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)，隊(duì)列0、1、2、3、4 配置為WFQ 加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度優(yōu)先級(jí)，權(quán)重為 1:2:3:10:15。

圖2

802.1 p 類型的報(bào)文vlan 字段攜帶報(bào)文優(yōu)先級(jí)，一共8 個(gè)優(yōu)先級(jí)。具體映射如下：

LACP 類型的報(bào)文映射到芯片端口的隊(duì)列7 中，IP 類型的報(bào)文映射到芯片端口的隊(duì)列6 中，

將報(bào)文優(yōu)先級(jí)0 映射到芯片端口的隊(duì)列5 中，將報(bào)文優(yōu)先級(jí)1 映射到芯片端口的隊(duì)列4 中，將報(bào)文優(yōu)先級(jí)2 映射到芯片端口的隊(duì)列3 中，將報(bào)文優(yōu)先級(jí)3 映射到芯片端口的隊(duì)列2 中，將報(bào)文優(yōu)先級(jí)4 映射到芯片端口的隊(duì)列1 中，將報(bào)文優(yōu)先級(jí)5、6、7 映射到芯片端口的隊(duì)列0 中。

3.3 功能驗(yàn)證

主要從如下幾個(gè)方面考慮：

（1）普通以太報(bào)文是否按照我們配置的隊(duì)列映射進(jìn)行入隊(duì)？

（2）特定ethtype 類型是否正確入隊(duì)？

（3）芯片的sp+wrr 功能是否正常，此處需要驗(yàn)證兩種情況：

1.當(dāng)報(bào)文流量大于端口帶寬時(shí)，隊(duì)列6（SP）和隊(duì)列3（WRR）都有報(bào)文時(shí)，是否優(yōu)先處理隊(duì)列6 中的報(bào)文？

2.當(dāng)報(bào)文流量大于端口帶寬時(shí)，隊(duì)列3（WRR，權(quán)重10）和隊(duì)列1（WRR,權(quán)重2）都有報(bào)文時(shí)，處理的報(bào)文比例是否是 5:1。

3.3.1 普通以太報(bào)文入隊(duì)驗(yàn)證

測(cè)試儀發(fā)送報(bào)文優(yōu)先級(jí)為3，按照上述隊(duì)則應(yīng)該入隊(duì)2。如表1所示。

表1

MC_PERQ_PKT(2).xe2 和 MC_PERQ_BYTE(2).xe2 表示該報(bào)文進(jìn)入了端口xe2 的2 隊(duì)列，符合預(yù)期。

結(jié)論：普通以太報(bào)文入隊(duì)符合預(yù)期

3.3.2 特定ethtype 的報(bào)文入隊(duì)驗(yàn)證

查看芯片的ethtype 配置，lacp(0x8809)和IP(0x0800)的報(bào)文分別入隊(duì)7 隊(duì)列和6 隊(duì)列。

接下來(lái)我們看下實(shí)際的報(bào)文入隊(duì)情況：分兩種情況：

3.3.2.1 未知單播的0806 報(bào)文

如表2所示。

表2

MC_PERQ_PKT(6).xe2 和MC_PERQ_BYTE(6).xe2 表示未知單播報(bào)文進(jìn)入xe2 口的6 隊(duì)列，符合預(yù)期。

3.3.2.2 已知的0806 報(bào)文

接下來(lái)我們?cè)谛酒信渲靡粭l二層轉(zhuǎn)發(fā)表，使上面的報(bào)文變成已知單播報(bào)文（如表3所示）

表3

UC_PERQ_PKT(6).xe2 和UC_PERQ_BYTE(6).xe2 表示單播報(bào)文入隊(duì)xe2 的6 隊(duì)列，符合預(yù)期。

結(jié)論：特定ethtype 報(bào)文入隊(duì)符合預(yù)期

3.3.3 芯片sp+wrr 功能的驗(yàn)證

上面幾條可以看出我們的所有報(bào)文都可以正常入隊(duì)，現(xiàn)在需要驗(yàn)證的是，在帶寬受限的情況下，芯片如何調(diào)度各個(gè)隊(duì)列中的報(bào)文。

3.3.3.1 帶寬受限情況下，sp 和wrr 的調(diào)度情況

此處我們同時(shí)發(fā)2 種報(bào)文，一種是0806 的報(bào)文，讓其進(jìn)入6 隊(duì)列，另一種發(fā)優(yōu)先級(jí)為2 的普通以太報(bào)文，讓其進(jìn)入3 隊(duì)列。如表4所示。

表4

查看上述兩種報(bào)文的入隊(duì)情況，如表5所示。

表5

可以看出上面兩種報(bào)文分別入6 隊(duì)列和3 隊(duì)列，然后對(duì)xe2 端口進(jìn)行限速，并加大上述兩種報(bào)文的流量發(fā)送，使得發(fā)送的報(bào)文流量大于xe2 的帶寬。

查看端口統(tǒng)計(jì)，如表6所示。

表6

MC_PERQ_PKT(6).xe2 和MC_PERQ_BYTE(6).xe2 表示6 隊(duì)列的報(bào)文正常轉(zhuǎn)發(fā)

MCQ_DROP_PKT(3).xe2 和MCQ_DROP_BYTE(3).xe2表示3 隊(duì)列的報(bào)文丟棄

可以看到所有的隊(duì)列3 都丟，所有的隊(duì)列6 都沒(méi)有丟。

結(jié)論：sp 隊(duì)列中的報(bào)文優(yōu)先處理，當(dāng)sp 中的報(bào)文處理完之后，才會(huì)處理WRR 中的報(bào)文

3.3.3.2 帶寬受限情況下，wrr 隊(duì)列3 和隊(duì)列1 調(diào)度情況

我們發(fā)兩種報(bào)文，使其分別入3 隊(duì)列和1 隊(duì)列，如表7所示。

表7

對(duì)xe2 限速，并查看端口統(tǒng)計(jì)，如表8所示。

表8

上面的統(tǒng)計(jì)顯示，在一段時(shí)間內(nèi)隊(duì)列1 轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文3,411,262 BYTE，隊(duì)列3 轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文15,898,080，兩者近似1:5的比例，符合預(yù)期。

結(jié)論：兩個(gè)WRR 隊(duì)列中的報(bào)文處理與實(shí)際配置的比重一致

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述QOS 的配置及驗(yàn)證，很好的解決了因網(wǎng)絡(luò)擁塞而導(dǎo)致的報(bào)文無(wú)差別丟包，實(shí)現(xiàn)了特定類型報(bào)文優(yōu)先調(diào)度的目的。