服务访问质量（QOS）

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2021-11-10 11:10 348阅读 0赞

当网络出现拥塞的时候，一般会有延迟、延迟抖动或丢包的现象出现，那么解决这种现象的最好办法就是提高网络的带宽，那么，如果在无法提高网络带宽的话，就只能通过合理的利用网络带宽。在网络发生拥塞时，根据业务的性质和需要使用QoS技术合理的分配现有带宽，降低网络拥塞的影响。

QoS服务模型一共分为三种：

**1、best-Effort service服务模型：**它是一种单一的服务模型，也是最简单的服务模型，应用程序可以在任何时候发送任意数量的报文。网络尽最大可能发送这些报文，但是对于延时、可靠性不做保证，它是在互联网中默认的服务模型，其遵循先进先出的转发规则。

**2、IntServ服务模型：**IntServ服务模型在使用网络资源时，需要提前申请，申请的过程是通过RSVP（资源预留协议）完成的，应用程序会通过RSVP将需要的时延、带宽、丢包率等性能通知其他节点，这些节点收到资源预留请求后，会根据用户的合法性、资源使用情况来决定是否预留资源。

这个服务模型的扩展性很差，实施比较困难，并且RSVP存在一定缺陷，所以限制了它的广发应用。

**3、Diffserv服务模型：**它可以满足不同的QoS需求，与IntServ不同，它不需要预留资源，网络不需要为每个端到端的流量进行维护。Diffserv服务模型可以使用不同的方法来指定报文的QoS，如报文的优先级、MAC地址、源IP地址、目的IP地址等，网络可以通过这些信息来提供特定的服务（报文分类、流量整 形等）。

接下来，对**Diffserv服务模型**进行详细的解释。

**QoS的操作模型：**

QoS涉及四大组件：分类和标记、整 形和监管、拥塞避免和拥塞管理。QoS操作模型如下所示：

![服务访问质量（QOS）][QOS]

首先，数据进入设备进行流分类，根据流量的重要程度划分不同的类别，并打上不同的标记。然后使用GTS或CAR技术进行整 形和监管，并根据策略对违规的报文进行操作，限制流量的速率。随后通过WRED技术随机丢弃相对不重要的报文避免网络拥塞，最后通过拥塞管理的队列技术将报文放入不同的队列。队列达到最大长度后，后到达的报文将被丢弃，通过队列的出队调度技术转发报文。

可以通过下面这个实际的案例更加通俗的理解QoS对数据流的处理：

![服务访问质量（QOS）][QOS 1]

我们来把QoS操作模型拆分开来一步步了解：

**1、分类和标记：**

QoS是一个整体的框架，不局限于一台设备，整个网络中设备相互配合，最终达到流量优化的目的。QoS的核心就是保证重要的流量有限通过网络设备。默认情况下，网络设备对任何流量都一视同仁，为了可以让任何设备都可以识别重要的流量，在网络的边界，也就是任何进入网络的流量都应该根据重要程度被分类，并打上不同的标记，后续设备基于这些标记来标识哪些流量是相对重要的。

①、分类：流分类是进行区别服务的基础，流分类可以使用报文的优先级来识别不同优先级特征的流量；

流分类一般通过ACL区分不同的流量，尤其是扩展ACL，基本上可以定义大部分流量。如下命令定义了网络中所有的FTP流量：

`R1(config)#access-list 101 permit tcp any any eq 21`

②、标记：在QoS技术的Diffserv服务模型中，对于IP报文中的DS字段使用DSCP（差异化服务编码点）作为QoS优先级描述，如下所示：

![服务访问质量（QOS）][QOS 2]

DS字段一共八位，在Diffserv中使用DS的前六位，即DS0~DS5定义了0~63共64个优先级。  
QoS也可以使用DS字段中的IP优先级，使用DS的前三位IP。优先级共八个等级，其中0表示正常流量，尽力转发。  
默认情况下，如果不做设置，正常数据的优先级都是0，而像RIP、OSPF报文，默认优先级是6，优先级越高越优先发送；

在配置时，首先定义匹配类，然后定义流量控制策略，最后在端口实施策略。

**1）定义匹配类**

R1(config)#class-map abc
    R1(config-cmap)#match access-group 101              #101为上面创建的扩展ACL编号

除了配置ACL外，还可以配置端口、VLAN、源或目的MAC地址等信息，配置命令如下：

R1(config-cmap)#match input-interface f0/0            #匹配 F0/0端口进入的流量。
    R1(config-cmap)#match any                                     #匹配任意流量

**2)、定义流量控制策略**

通过policy map调用class map，然后为每一个class map 配置策略：

R1(config)#policy-map QoS                     #定义策略名称
    R1(config-pmap)#class abc                     #调用class  map
    R1(config-pmap-c)#set ip dscp 5             #定义优先级，范围为0~63；
    也可以使用如下命令来定义优先级：
    R1(config-pmap-c)#set ip precedence 7         #与dscp一样，用来定义优先级，范围为0~7。

**3）、在接口上应用策略**

R1(config-if)#service-policy input qos                 #service-policy为命令字，input表示入站。
    可以使用output来表示出站，qos为定义的策略名称

**4）、查看配置**  
可以使用命令**show policy-map**来查看配置：

R1#show policy-map
      Policy Map df
        Class abc
          set ip precedence 7
    
      Policy Map qos
        Class abc
          set ip precedence 0

**2、整 形和监管：**

经过分类和标记已经可以区分流量的优先级了，那么为了避免网络拥塞的出现，可以对流量进行控制，通过采用一定的策略控制流量的大小，以减少网络拥塞的出现。主要的流量管理技术是整 形和监管。

在对流量进行监控时一般可以设定三个参数：  
**1. 承诺平均速率（CIR）：**允许流量通过的平均速率；  
**2. 突发量（BC）：**允许突发产生流量的大小，设置的大小必须大于最大报文长度。  
**3. 额外突发量（Be）：**表示流量超出突发量后还可以转发的流量大小。

**1）流量策略**

对于符合规定部分的流量视为合规流量，而对于超出规定部分的流量视为违规流量。设置流量策略时，既可以设置合规流量策略，也可以设置违规流量策略。一般流量策略有以下几种：

*  转发：对于合规流量和违规流量都可以设置策略为转发。
 *  丢弃：对于合规流量和违规流量都可以设置策略为丢弃。
 *  标记：标记报文的优先级。例如，将合规流量报文的IP优先级设定为5，而将违规流量报文的优先级设置为0.
 *  进入下一级流量策略：流量策略可以多级处理，可以将流量提交给下一级流量策略来进行控制。

**2）整 形与监管**

**流量整 形（GTS）**是一种调节输出速率的措施，流量整 形使用缓冲区使流量均匀地进行转发。流量进入设备进行分类，不需要进行整 形的流量直接通过设备转发，需要进行整 形的流量根据配置分为合规流量和违规流量。当流量速率超过设定时，设备将多余的流量缓存到GTS队列，然后按照配置的CIR，将报文均匀地转发出去，以保证网络流量平稳。

由于流量整 形使用缓存来保存违规流量，所以可以减少丢包率，避免了报文重发，但是使用缓存将导致数据转发时增加时延。流量整 形一般应用在整体流量较小，但有时出现突发流量的环境中。如下图所示：  
![服务访问质量（QOS）][QOS 3]

流量整 形配置有两种配置方式，一种是基本的流量整 形配置，另一种是基于ACL的流量整 形配置。

**基本的流量整 形配置如下：**

R1(config)#access-list 100 permit udp any any
    R1(config)#in f0/0
    R1(config-if)#traffic-shape rate 8000000              #针对所有经过该接口的流量整 形。承诺平均速率为100kb/s
    R1(config)#in f1/0
    R1(config-if)#traffic-shape group 100 800000 800000 800000                 #针对于ACL组号为100的流量整 形。
    顺序依次为CIR、Bc、Be，CIR是每秒可通过的速率，
    计量单位为比特 
    (1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B，1B（字节）=8bits（比特），
    也就是说80000bits大约是100KB/s

**查看网络整 形配置信息：**

R1#show traffic-shape f0/0
    
    Interface   Fa0/0
           Access Target    Byte   Sustain   Excess    Interval  Increment Adapt
    VC     List   Rate      Limit  bits/int  bits/int      (ms)      (bytes)   Active
    -              1000000   6250   25000     25000     25         3125      -

**查看GTS流量统计信息：**

R1#show traffic-shape statistics f0/0
                      Acc. Queue Packets   Bytes     Packets   Bytes     Shaping
    I/F            List    Depth                             Delayed   Delayed   Active
    Fa0/0                   0          0                0                0         0    no

**查看GTS队列信息：**  
`R1#show traffic-shape queue`  
Traffic queued in shaping queue on FastEthernet0/0  
Queueing strategy: weighted fair  
Queueing Stats: 0/**1000**/64/0 (size/max total/threshold/drops)  
Conversations 0/0/64 (active/max active/max total)  
Reserved Conversations 0/0 (allocated/max allocated)  
Available Bandwidth 1000 kilobits/sec

其中粗体1000标识设置的缓存器限制。

**流量监管**是一种流量控制措施，监管使用的三个参数分别是承诺平均速率、Bc、Be。所以监管中，Bc+Be的大小是允许突发的最大流量的大小。监管的核心技术是**承诺访问速率（CAR）**

Bc和Be相当于信用的积累，如果一直守信（小于规定流量），其信用值就不断增加到某个数值（Bc）；如果继续守信，则信用值就会继续增加到一个规定的最大值（Bc+Be）。这时，如果出现违规现象（流量速率超过规定速率），信用就会减少，知道信用值为0,。所以Bc、Be是一个积累使用的过程，而不是始终存在的（最初时Bc和Be为满的）。

在使用CAR技术限制流量速率时，违规流量一般会被直接丢弃而不进行缓存，所以呢，CAR技术保证了数据的延时，但是增加了丢包率。**CAR技术多应用于接入层，对接入用户进行流量限制。**

CAR的速率图如下所示：

![服务访问质量（QOS）][QOS 4]

![服务访问质量（QOS）][QOS 5]

CIR表示速率，而Bc和Be表示大小。  
一般的使用一下公式进行配置：

**Bc=2XRTTXCIR/8**

其中，RTT表示流量往返的时间，可以使用ping命令测试。Be流量一般等于Bc。

**承诺访问速率配置：**和流量整 形相同，也有两种配置方式，一种是基本的承诺访问速率配置，另一种是扩展的承诺访问速率配置。

**1）、基本的承诺访问速率配置**

R1(config-if)#rate-limit input 8000000 2000 4000 conform-action transmit exceed-action drop

上述命令表示进入端口的流量被限速为8000000b/s（约8MB/s），最大突发量为4000字节，符合的流量`conform-action`被转发`transmit`，超出的流量`exceed-action`被丢弃`drop`。

R1(config-if)#rate-limit input 8000000 2000 4000 conform-action set-prec-transmit 5
    exceed-action set-prec-transmit 0 
    #其中8000000为CIR，参数范围是8000~2000000000，单位是b/s；
    2000表示普通突发量，参数范围是100~512000000，单位是字节；
    4000表示最大突发量，参数范围是2000~1024000000，单位是字节

上述命令表示进入端口的流量被限速为8Mb/s，最大的突发量为4000字节，符合的流量被标记IP优先级5后进行转发，超出的流量被标记IP优先级0后进行转发，IP优先级0为默认值，表示尽力转发。当网络出现拥塞时，可以根据优先级确定优先丢弃的数据。

**2）、扩展的承诺访问速率配置**

首先配置ACL，定义需要整 形的流量，然后再接口模式下配置如下命令进行流量整 形：

R1(config)#access-list 101 permit tcp any any 
    R1(config)#in f0/0
    R1(config-if)#rate-limit input access-group 101 8000000 2000 4000  
    conform-action transmit exceed-action drop  
    
    #其中8000000为CIR，参数范围是8000~2000000000，单位是b/s；
    2000表示普通突发量，参数范围是100~512000000，单位是字节；
    4000表示最大突发量，参数范围是2000~1024000000，单位是字节

**查看CAR配置信息：**

R1#show interfaces f0/0 rate-limit 
    FastEthernet0/0 
      Input
        matches: access-group 101                  #匹配的ACL
          params:  8000000 bps, 4000 limit, 4000 extended limit              #配置的速率限制
          conformed 0 packets, 0 bytes; action: transmit         #符合的流量统计，动作为转发
          exceeded 0 packets, 0 bytes; action: drop                #违规的流量统计，动作为丢弃
          last packet: 4176504ms ago, current burst: 0 bytes           #当前流量突发量信息
          last cleared 00:07:24 ago, conformed 0 bps, exceeded 0 bps             #速率信息
        matches: access-group 101
          params:  8000000 bps, 4000 limit, 4000 extended limit
          conformed 0 packets, 0 bytes; action: transmit
          exceeded 0 packets, 0 bytes; action: drop
          last packet: 4176504ms ago, current burst: 0 bytes
          last cleared 00:00:44 ago, conformed 0 bps, exceeded 0 bps

[QOS]: https://s1.51cto.com/images/blog/201904/20/39a8e4df1f29070da98e4d0e68bf6447.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
[QOS 1]: https://s1.51cto.com/images/blog/201904/20/4e11dfa3ac33d2285ded22ca08a27c4c.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
[QOS 2]: https://s1.51cto.com/images/blog/201904/20/728bf37a78f3da05d7f2a04ea5be93b6.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
[QOS 3]: https://s1.51cto.com/images/blog/201904/20/4a648aed39ff54a6a98516512f53f71e.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
[QOS 4]: https://s1.51cto.com/images/blog/201904/20/728b4e9dc94a3dcc14ab0d529e977364.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=
[QOS 5]: https://s1.51cto.com/images/blog/201904/20/d5d8f4af474b8aac9c23286bea80b1e6.png?x-oss-process=image/watermark,size_16,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_90,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=