QoS基础及技术原理——2

流量监管和流量整形

如果不限制用户发送的业务流量，大量用户不断突发的业务数据会使网络更加拥挤。必须对用户的业务流量加以限制。流量监管（TP，Traffic Policing）和流量整形（TS，Traffic Shaping）就可以通过监督进入网络的流量速率来限制流量及其资源的使用。进行流量监管和流量整形有一个前提条件，就是要判断流量是否超出了规格，然后才能根据评估结果实施调控策略。在流量监管和流量整形功能实现中，一般采用令牌桶（Token Bucket）对流量的规格进行评估。

一、QoS令牌桶基本工作原理

“令牌桶”是指网络设备的内部存储池（也就是用于缓存数据的内存），而“令牌”（Token）则是指以给定速率填充令牌桶的虚拟信息包。“令牌桶”可以简单理解为一个水桶，而“令牌”则可以理解为通过一根水管流到水桶中的水。

交换机在入端口接收每个帧时都将一个令牌添加到令牌桶中，但这个令牌桶底部有一个孔，不断地按照你指定作为平均通信速率（单位为bit/s）的速度领出令牌（也就是从桶中删除令牌的意思），其实就是不断的从出端口发送数据的过程，相当于一个水桶的上边连接一根进水管，而下边又连接一根到用水的地方的出水管。在每次向令牌桶中添加新的令牌包时，交换机都会检查令牌桶中是否有足够容量（也就是在要向桶中加水前，先检查桶内是否已满了），如果没有足够的空间，包将被标记为不符规定的包，这时在包上将发生指定监管器中规定的行为（丢弃或标记）。就相当于如果当前水桶满了，但上边水管的水还是来了，这时要么让这些水白白流到桶外，要么把这些水用其他容器先装起来，等水桶中不再水满时再倒进去，供用户使用。

最初的令牌桶模型考虑的是单令牌桶结构，这个令牌桶称为CBS（Committed Burst Size，承若突发尺寸），简称C桶，而向C桶中填充令牌的平均速率称之为CIR（Committed Information Rate，承若信息速率），如果用Tc表示当前令牌桶中的令牌数，则这个单令牌桶的基本工作原理可用下图表示。

用文字描述如下（假设用B来表示新接收的数据包大小）：

（1）系统按照CIR速率向令牌桶（相当于交换机缓存）中投放令牌（相当于从端口上接收到数据包）。

（2）当Tc ＜ CBS时再比较B与Tc的大小关系。如果B ≤ Tc，则表示新接收的数据包大小符合规定（Conform）可完整的被缓存到令牌桶中，此时数据包被标记为绿色（表示允许转发的），当前的Tc值要相应减少B。

（3）如果B ＞ Tc，则表示新接收的数据包大小违规（Violate）不能完整的被缓存到令牌桶中，此时整个数据包被标记为红色，并将被直接丢弃，Tc值不减少。

令牌桶填满的时间长短是由令牌桶深度（也就是交换机的缓存大小，单位为bit，类似水桶的深度）、令牌漏出速率（类似通下边接的出水管的水流速）和超过平均速率的突发流量（类似于桶上边水管突发的急速水流）持续时间这3个方面共同决定。令牌桶的大小是通过“突发时长上限”乘以“点对点传输时的帧数限制”得出（也就类似突发水流持续的时间*突发水流的流速）。如果突发时间比较短，令牌桶不会溢出，在通信流上不会发生行为；但如果突发时间比较长，并且速率比较高，令牌桶将溢出，这时将对突发过程中的帧采取相应的流监管策略行为（也就是在水桶水满后对溢出的水的处理方法）。

二、单速率三色标记算法

在令牌桶处理包的行为方面，主要包括两种令牌桶算法：RFC2697定义的单速率三色标记（srTCM，single rate three color market）算法和RFC2698定义的双速率三色标记（trTCM，two ratethree color market）算法，其评估结果都是为包打上红、黄、绿三色标记（所以称为“三色标记”）。QoS会根据包的颜色，设置包的丢弃优先级，其中单速率三色标记比较关心包尺寸的突发，而双速率三色标记则关注速率上的突发，两种算法都可工作于色盲模式和非色盲模式。

srTCM（单速率三色标记）是一种“单速双桶”算法，它可对流量进行测评，根据评估结果为报文打颜色标记，即绿色、黄色和红色。“单速”是指算法中的两个令牌桶有同样的承若信息速率（CIR），也就是具有相同平均访问速率；这两个令牌桶分别是正常使用的令牌桶（也就是C桶）和超出令牌桶容量的突发令牌桶（也就是E桶），可以理解为两个水桶，一个是正常使用的水桶，另一个是当正常使用的水桶满后用于装多余水的水桶。

1、srTCM算法的3个参数

srTCM算法关注的是数据包的突发尺寸，数据包的色标记评估依据以下3个参数。

（1）承若信息速率（CIR，CommittedInformation Rate）：表示向C桶中填充令牌的平均速率，即C桶允许传输或转发报文的平均速率。

（2）承若突发尺寸（CBS，CommittedBurst Size）：表示C桶的容量，即指每次突发所允许的最大的流量尺寸，也相当于允许的最大取令牌的速率，等于桶的容量（最大时一个包就可以全部领取桶中的全部令牌）。

（3）超额突发尺寸（EBS，Excess BurstSize）：表示E桶的容量，即每次突发允许超出CBS的最大流量尺寸。

单速率三色机制采用双桶结构：C桶和E桶，且两个令牌桶的CIR一样。当C令牌桶满时，超出的令牌也会放在E令牌桶中。

Tc和Te分别表示C令牌桶和E令牌桶中的令牌数，也就是桶中当前的容量（单位为bit），两桶的总容量分别为CBS和EBS，也就是对应的承若突发尺寸和超额突发尺寸，最初它们都是满的，即Tc和Te初始值分别等于CBS和EBS。正常情况下不会使用第二个令牌桶（也就是E桶），只有当C令牌桶满后，后面来的令牌才放到E令牌桶中，为出现的突发数据提供信用令牌（也就是经过允许的令牌）。

2、srTCM算法原理

在srTCM算法中，两个令牌桶中令牌的添加是按照相同的CIR速率进行的。即每隔1/CIR时间添加一个令牌。添加的顺序是先添加C桶再添加E桶，当两个令牌桶中的令牌都满时，再产生的令牌就会被丢弃。系统按照CIR速率向桶中填充令牌。

（1）若Tc ＜ CBS，则Tc增加。

（2）若Tc ＝ CBS，Te ＜ EBS，则Te增加。

（3）若Tc ＝ CBS，Te ＝ EBS，则都不增加。

对于到达的报文，用B表示报文的大小。

（1）若B ≤ Tc，报文被标记为绿色，且Tc减少B。

（2）若Tc  ＜ B ≤ Te，报文被标记为黄色，且Te减少B。

（3）若Te ＜ B，报文被标记为红色，且Tc和Te都不减少。

3、srTCM算法中的报文着色处理

在发送数据包时，令牌的使用IEEE又定义了3种颜色（分别为红色、黄色和绿色）以及两种模式：色盲（color-blind）模式和感色（color-aware）模式，缺省为色盲模式。3种颜色的功能与日常交通指示灯的3中颜色类似，红色表示违规数据，直接丢弃，黄色表示数据包虽然违法，但不直接丢弃，而是延迟发送，绿色为合法数据包，直接发送。

在色盲（color-blind）模式下假设包都是没有经过“着色”处理的（不辨别包中原来标记的颜色），是根据包长度来确定包被标记的颜色。现假设到达的包长度为B（单位为bit）。若包长度B小于C桶中的令牌数Tc（也就是C桶中的令牌数足够该包发送所需），则包被标记为绿色，表示包符合要求，包发送后C桶中的令牌数Tc减少B。如果Tc  ＜ B ＜ Te（也就是包长度大于C桶中的令牌数，而小于E桶中的令牌数），则标记为黄色，则从E桶中取出所需令牌，E桶中的令牌数Te减少B；若B ＞ Te，标记为红色，表示违反规定的包，直接丢弃，两令牌桶中的总令牌数都不减少。

在感色（color-aware）模式下是假设包在此之前已经过“着色”处理（会辨别包中原来标记的颜色），则包被标记为绿色，或包长度B ＜ Tc（注意只要满足其中一个条件即可，下同），则包被标记为绿色，C桶中的令牌数Tc值随之也相应减少B；如果包已被标记为黄色，或c  ＜ B ＜ Te，则包被标记为黄色，同时E桶中的令牌数Te也随之相应减少B；如果包已被标记为红色，或B＞ Te，则包被标记为红色，Tc和Te都不减少。

三、双速率三色标记算法

trTCM（双速率三色标记）是一种双桶双速算法，也可对流量进行评测，根据评估结果为报文打颜色标记，即绿色、黄色和红色。这里的“双速率”是指该算法中两个令牌桶中的CIR速率不同，存在两个令牌填充速率。

与单速率三色标记算法不同，双速率三色标记算法中的两个令牌桶是C桶和P桶（不是C桶和E桶），如下图：

它们的令牌填充速率是不同的，C桶填充速率为CIR，P桶为PIR；两桶的容量分别为CBS和PBS。用Tc和Tp表示两桶中的令牌数目，初始状态时两桶是满的，即Tc和Tp初始值分别等于CBS和PBS。

    1、trTCM算法的4个参数

trTCM算法关注的是速率的突发，但它不像单速率三色标记算法那样把第一个桶中未使用的令牌放到第二个桶中，而是使用两个独立的令牌桶。第一个令牌桶为PIR，大小为PBS，第二个令牌桶为CIR，大小为CBS。数据的测量是先比较PIR，再比较CIR。也就是在双速率三色标记中，首先判断的是数据发送速率是否符合规定的突发要求，而不是正常情况下的色标方法。

trTCM算法主要是根据4种流量参数来评估：CIR、CBS、峰值信息速率（PIR，PeakInformation Rate），峰值突发尺寸（PBS，Peak Burst Size）。CIR和CBS参数与单速率三色标记算法中的含义相同，PIR就是允许的最大突发信息传输速率，即P桶允许传输或转发报文的峰值速率，当然它的值肯定不会小于CIR的；PBS是允许的最大突发信息尺寸，表示P桶的容量，它的值也不会小于CBS。

2、trTCM算法原理

在trTCM算法中，系统按照PIR速率向P桶中填充令牌，按照CIR速率向C桶中填充令牌。

（1）当Tp ＜ PBS时，P桶中令牌数增加，否则不增加。

（2）当Tc ＜ CBS时，C桶中令牌数增加，否则不增加。

对于到达的报文，用B表示报文的大小。

（1）若Tp ＜ B，则报文被标记为红色。

（2）若Tc ＜ B ≤ Tp，报文被标记为黄色，且Tp减少B。

（3）若B ≤ Tc，报文被标记为绿色，且Tp和Tc都减少B。

3、trTCM算法中的报文着色处理

在trTCM算法中也有色盲模式和色敏模式两种。

在色盲模式下，当包速率大于PIR，此时未超过Tp + Tc部分的包会分别从P桶和C桶中获取令牌，而且从P桶中获取令牌的部分包被标记为黄色，从C桶中获取令牌的部分包被标记为绿色，超过Tp + Tc部分无法得到令牌的包被标记为红色；当包速率小于PIR，而大于CIR时，包可以得到令牌，但超过Tc部分的包将从P桶中获取令牌，此时这部分包都被标记为黄色，而从C桶中获取令牌的包被标记为绿色；当包速率小于CIR时，包所需令牌数不会超过Tc，只需从C桶中获取令牌，包被标记为绿色。

在色敏模式下，如果包已被标记为红色，或者超过Tp + Tc部分无法得到令牌的包，被标记为红色；如果标记为黄色，或超过Tc但未超过Tp部分包标记为黄色；如果包被标记为绿色或者未超过Tc部分包，被标记为绿色。

四、流量监管

“流量监管”（TrafficPolicing）就是对流量进行控制，通过监督进入交换机端口的流量速率，对超出部分的流量进行“惩罚”（采用监管方式时是直接丢弃），使进入端口的流量被限制在一个合理的范围之内。例如可限制HTTP报文不能占用超过50%的网络带宽，否则QoS流量监管功能可以选择丢弃报文，或重新分配报文的优先级。

流量监管的基本工作机制如下图，由三部分组成。

    （1）Meter（度量器）：通过令牌桶机制对网络流量进行度量，然后向Marker（标记器）输出度量结果。

（2）Marker（标记器）：根据Meter的度量结果对报文进行染色，报文会被标识成green、yellow、red三种颜色。

（3）Action：根据Marker对报文的染色结果，对报文进行一些行为，行为如下：

①pass：对测量结果为“符合”的报文继续转发。

②remark +pass：修改报文内部优先级后再转发。

③discard：对测量结果为“不符合”的报文进行丢弃。

缺省情况下，对green、yellow颜色的报文进行转发，对red报文进行丢弃。

当网络发生拥塞后，超出的流量将采取其他方式处理。如果处理方式为监管，那么数据包就会被丢弃。通常情况下，网络设备缺省丢弃后到的数据包而传输先到的数据包，这样的丢弃方式称为尾丢弃。也可以让网络设备在发生拥塞时，先丢弃低优先级的数据包而传输高优先级的数据包。

总体而言，经过流量监管后，如果某流量速率超过标准，设备可以选择降低报文优先级再进行转发或者直接丢弃。缺省情况下，此类报文被丢弃。如下图是一种经过流量监管后的流量变化示意图，超出CAR的流量均被“削”掉了。

五、流量整形

“流量整形”为控制最大输出通信速率提供可能，以确保通信符合配置的最大传输速率规定。符合某种配置的通信可能被整形，以使它符合下游设备的通信速率需求，处理任何失配的数据传输速率。流量整形通常使用缓存区和令牌桶来完成，当报文的发送速率过快时，首先在缓冲区进行缓存，在令牌桶的控制下再均匀地发送这些被缓冲的报文。

当下游设备的接口速率小于上游设备的端口速率或发生突发流量时，在下游设备入端口处可能出现流量拥塞的情况。此时用户可以通过在上游设备的出端口配置流量整形，将上游不规整的流量进行削峰填谷，输出一条比较平整的流量，从而解决下游设备的拥塞问题。

流量整形是一种可应用于接口、子接口或队列的流量控制技术，可以对从接口上经过的所有报文或某类报文进行速率限制。下面以接口或子接口下采用单速率单通技术的基于流的队列整形为例介绍流量整形的处理流程。

    （1）当报文到达设备端口时，首先对报文进行简单分类，使报文进入不同的队列。

（2）若报文进入的队列没有配置队列整形功能，则直接发送该队列的报文；否则，进入下一步处理。

（3）按用户设定的队列整形速率向令牌桶中存放令牌。

①如果令牌桶中有足够的令牌可以用来发送报文，则报文直接被发送，在报文被发送的同时，令牌做相应的减少。

②如果令牌桶中没有足够的令牌，则将报文放入缓存队列，如果报文放入缓存队列时，缓存队列已满，则丢弃报文。

（4）缓存队列中有报文的时候，系统按照一定的周期从缓存队列中取出报文进行转发，每次发送都会与令牌桶中的令牌数做比较，直到令牌桶中的令牌数减少到缓存队列中的报文不能再发送或缓存队列中的报文全部发送完毕为止。

经过以上队列整形后，如果该接口或子接口同时配置了基于端口的流量整形功能，则系统还要逐级按照子接口整形速率、接口整形速率对报文流进行速率控制。其处理流程与上述流程类似，但不需要1和2步骤。

流量整形和流量监管都是作用于网络边缘，对进入设备端口的流量进行的一种处理方式。它们的主要区别在于：流量监管直接丢弃不符合速率要求的报文，丢弃的报文比较多，可能引发重传；而流量整形是将不符合速率要求的报文先行缓存，当令牌桶有足够的令牌时再均匀地向外发送这些被缓存的报文，较少丢弃报文，但引入时延和抖动，需要较多的缓存资源缓存报文。所以这两种功能的应用领域也不尽相同，流量监管适用于对丢弃率不敏感，而对时延和抖动比较敏感的网络应用，如一些普通的话音和视频通信；流量整形适用于对时延和抖动不敏感的网络应用，如数据传输、WWW访问等。