对使用最多、最成熟的QoS技术进行分析，合理使用这些技术，能有效提高网络服务质量。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。
1.QoS在网络中的位置
图9-13所示为常用QoS技术在网络中的位置，各自功能如下：
图9-13 QoS技术在网络中的位置
●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，可采取限制或惩罚措施，以保护网络资源不受损害。该技术可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，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。
2.QoS技术在网络设备中的处理顺序
图9-14所示为各种QoS技术在同一网络设备中的处理顺序。首先通过流分类对各种业务进行识别和区
图9-14 QoS技术在同一网络设备中的处理
分，这是后续各种动作的基础。通过各种动作对特性业务进行处理。这些动作需要和流分类关联才有意义。具体采取何种动作，与所处的阶段以及网络当前的负载状况有关。如当报文进入网络时进行流量监管，流出节点前进行流量整形，拥塞时对队列进行拥塞管理，拥塞加剧时采取拥塞避免措施等。
3.QoS配置方式
QoS配置方式分为QoS策略配置方式和非QoS策略配置方式两种。有些QoS功能只能使用其中一种方式配置，有些使用两种方式配置。在实际应用中两种配置可结合使用。
（1）非QoS策略配置方式
非QoS策略配置方式是指不通过QoS策略来进行配置。如端口限速功能可通过直接在接口上配置来实现。
（2）QoS策略配置方式
QoS策略配置方式指通过配置QoS策略来实现QoS的功能。QoS策略包含三要素：类、流行为与策略。用户可通过QoS策略将指定的类和流行为进行绑定，灵活QoS的配置。
●类。类要素包括类的名称和类的规则。用户可通过命令定义一系列规则来对报文进行分类。同时用户可指定规则之间的关系：and或者or。
and：报文只有匹配了所有的规则，设备才认为报文属于这个类。
or：报文只要匹配了类中的任何一个规则，设备就认为报文属于这个类。
●流行为。流行为用来定义针对报文所做的QoS动作。流行为要素包括：流行为的名称和流行为中定义的动作。用户可通过命令在一个流行为中定义多个动作。
●策略。策略用来将指定的类和流行为进行绑定，对分类后的报文执行流行为中定义的动作。策略的要素包括：策略名称、绑定在一起的类和流行为的名称。用户可在一个策略中定义多个类与流行为的绑定关系。
4.优先级映射
报文在进入设备后，设备会根据自身情况和相应规则分配或修改报文各种优先级的值，为队列调度和拥塞控制服务。
优先级映射功能通过报文所携带的优先级字段来映射其他优先级字段值，就可获得各种用以决定报文调度能力的优先级字段，从而可全面有效地控制报文的转发调度能力。
优先级用于标识报文传输的优先程度，分为报文携带优先级和设备调度优先级。
报文携带优先级包括：802.1p优先级、DSCP优先级、IP优先级、EXP优先级等。这些优先级都是根据公认标准和协议生成，体现报文自身的优先等级。
设备调度优先级是指报文在设备内转发时所使用的优先级，只对当前设备自身有效。设备调度优先级包括以下几种。
●本地优先级（LP）：设备为报文分配的一种具有本地意义的优先级，每个本地优先级对应一个队列，本地优先级值越大的报文，进入的队列优先级越高，从而能获得优先调度。
●丢弃优先级（DP）：在报文丢弃时参考的参数，丢弃优先级值越大的报文越被优先丢弃。
●用户优先级（UP）：设备对于进入的流量自动获取报文的优先级，称为用户优先级。
优先级映射表。网络设备提供多张优先级映射表，分别对应相应优先级映射关系。通常情况下，可通过查找默认优先级映射表来为报文分配相应的优先级。如默认优先级映射表无法满足用户需求，可根据实际情况对映射表进行修改。
5.流量监管、流量整形和接口限速
如不限制用户发送的流量，那么大量用户不断突发的数据会使网络更拥挤。为了使有限的网络资源能更好地发挥效用，更好地为更多的用户服务，必须对用户的流量加以限制。比如限制每个时间间隔某个流只能得到承诺分配给它的那部分资源，防止因过分突发所引发的网络拥塞。
流量监管、流量整形和接口限速都可通过对流量规格的监督来限制流量及其资源的使用，这有一个前提条件，就是要知道流量是否超出了规格，然后才能根据评估结果实施调控。一般采用令牌桶（Token Bucket）对流量的规格进行评估。
（1）流量评估与令牌桶
1）令牌桶特点。令牌桶可以看做是一个存放一定数量令牌的容器。系统按设定的速率向桶中放置令牌，当桶中令牌满时，多出的令牌溢出，桶中令牌不再增加。
2）用令牌桶评估流量。在用令牌桶评估流量规格时，是以令牌桶中的令牌数量是否足够满足报文的转发为依据的。如桶中存在足够的令牌可用来转发报文，称流量遵守或符合这个规格，否则称为不符合或超标。
评估流量时令牌桶的参数包括：①平均速率。向桶中放置令牌的速率，即允许的流的平均速率。通常配置为CIR；②突发尺寸。令牌桶的容量，即每次突发所允许的最大的流量尺寸。通常配置为CBS，突发尺寸必须大于最大报文长度。
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，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。
3）复杂评估。为评估更复杂情况，实施更灵活调控策略，可配置两个令牌桶（C桶和E桶）。如TP（Traffic Policing）中有4个参数。
●CIR：表示向C桶中投放令牌的速率，即C桶允许传输或转发报文的平均速率。
●CBS：表示C桶的容量，即C桶瞬间能够通过的承诺突发流量。
●EIR：表示向E桶中投放令牌的速率，即E桶允许传输或转发报文的最大速率。
●EBS：表示E桶的容量，即E桶瞬间能够通过的超出突发流量。
CBS和EBS是由两个不同的令牌桶承载的。每次评估时，依据下面的情况，可以分别实施不同的流控策略：
●如C桶有足够的令牌，报文被标记为green，即绿色报文。
●如C桶令牌不足，但E桶有足够的令牌，报文被标记为yellow，即黄色报文。
●如C桶和E桶都没有足够的令牌，报文被标记为red，即红色报文。
（2）流量监管
流量监管的典型应用是监督进入网络的某一流量的规格，把它限制在一个合理范围之内，或对超出部分流量进行“惩罚”，以保护网络资源和运营商的利益。例如可限制HTTP报文不能占用超过50%的网络带宽。如发现某个连接的流量超标，流量监管可选择丢弃报文，或重新设置报文的优先级。如图9-15所示。
流量监管广泛用于监管进入互联网服务提供商ISP的网络流量。流量监管还包括对所监管流量的流分类服务，并依据不同评估结果，实施预先设定好的监管动作。这些动作有以下几种。
●转发：对评估结果为“符合”的报文继续正常转发的处理。
●丢弃：对评估结果为“不符合”的报文进行丢弃。(www.xing528.com)
●改变优先级并转发：对评估结果为“符合”的报文，将之标记为其他的优先级后再进行转发。
●改变优先级并进入下一级监管：对评估结果为“符合”的报文，将之标记为其他的优先级后再进入下一级的监管。
图9-15 流量监管
●进入下一级监管：流量监管可以逐级堆叠，每级关注和监管更具体的目标。
（3）流量整形
TS（Traffic Shaping，流量整形）是一种主动调整流量输出速率的措施。一个典型应用是基于下游网络结点的TP（流量监管）指标来控制本地流量的输出，如图9-16所示。
图9-16 流量整形
流量整形与流量监管的主要区别是：流量整形对流量监管中需要丢弃的报文进行缓存，通常是将它们放入缓冲区或队列内。当令牌桶有足够令牌时，再均匀地向外发送这些被缓存报文。流量整形与流量监管另一区别是，整形可能会增加延迟，而监管几乎不引入额外延迟。
如在下图所示应用中，设备Router A向Router B发送报文。Router B要对Router A发送来的报文进行TP监管，对超出规格的流量直接丢弃。如图9-17所示。
图9-17 流量整形应用实例
为了减少报文的无谓丢失，可在Router A的出口对报文进行流量整形处理。将超出流量整形特性的报文缓存在Router A中。当可以继续发送下一批报文时，流量整形再从缓冲队列中取出报文进行发送。这样，发向Router B的报文将都符合Router B的流量规定。
（4）接口限速
利用LR（Line Rate，物理接口限速）可在一个物理接口上限制发送报文（包括紧急报文）的总速率。
LR也是采用令牌桶进行流量控制。如在设备的某个接口上配置了LR，所有经由该接口发送的报文首先要经过LR的令牌桶进行处理。如令牌桶中有足够令牌，则报文可发送；否则，报文将进入QoS队列进行拥塞管理。这样，就可对通过该物理接口的报文流量进行控制。图9-18为物理接口限速处理过程。
图9-18 LR处理过程
由于采用了令牌桶控制流量，当令牌桶中存有令牌时，可允许报文的突发性传输。当令牌桶中没有令牌时，报文必须等到桶中生成了新的令牌后才可继续发送。这就限制了报文的流量不能大于令牌生成的速度，达到限制流量，同时允许突发流量通过的目的。与流量监管相比，物理接口限速能限制在物理接口上通过的所有报文。当用户只要求对所有报文限速时，使用物理接口限速简单易行。
6.拥塞管理
拥塞的产生、影响和对策。所谓拥塞，是指当前供给资源相对于正常转发处理需要资源的不足，从而导致服务质量下降的一种现象。在复杂的互联网分组交换环境下，拥塞极为常见。图9-19所示拥塞的两种情况。
拥塞有可能会引发一系列的负面影响：
●拥塞增加了报文传输延迟与抖动，可能会引发报文重传，从而导致更多拥塞产生。
●拥塞使网络的有效吞吐率降低，造成网络资源的利用率降低。
图9-19 拥塞的两种情况
●拥塞加剧会耗费大量的网络资源（特别是存储资源），不合理的资源分配甚至可能导致系统陷入资源死锁而崩溃。
在分组交换以及多用户业务并存的复杂环境下，拥塞又是不可避免的，因此必须采用适当的方法来解决拥塞。拥塞管理的中心内容就是制定一个当拥塞发生时资源的调度策略，以决定报文转发的处理次序。
拥塞管理策略。对于拥塞管理，一般采用队列技术，使用一个队列算法对流量进行分类，之后用某种优先级别算法将这些流量发送出去。每种队列算法都是用以解决特定的网络流量问题，并对带宽资源的分配、延迟、抖动等有着十分重要的影响。
拥塞管理的处理包括队列的创建、报文的分类、将报文送入不同的队列、队列调度等。队列调度对不同优先级的报文进行分级处理，优先级高的会得到优先发送。
几种常用队列调度机制：
1）FIFO（First In First Out Queuing，先入先出队列）。FIFO按照时间到达的先后决定分组的转发次序。用户的业务流在某个设备能获得的资源取决于分组的到达时机及当时的负载情况。Best-Effort报文转发方式采用FIFO的排队策略。如设备的每个端口只有一个基于FIFO的输入或输出队列，那么恶性应用可能会占用所有网络资源，严重影响关键业务数据的传送。每个队列内部报文的发送（次序）关系默认是FIFO。
2）PQ（Priority Queuing，优先队列）。图9-20为优先队列处理的过程。
图9-20 优先队列处理过程
PQ队列针对关键业务应用设计。关键业务有一个重要特点，即在拥塞发生时要求优先获得服务以减小响应的延迟。PQ可根据网络协议（如IP，IPX）、数据流入接口、报文长短、源地址/目的地址等灵活地指定优先次序。优先队列将报文分成4类，分别为高优先队列（hight）、中优先队列（middle）、正常优先队列（normal）和低优先队列（bottom），优先级依次降低。默认情况下，数据流进入normal队列。每个队列内部又遵循FIFO原则。
在队列调度时，PQ严格按照优先级从高到低的次序，优先发送较高优先级队列中的分组，当较高的优先级队列为空时，再发送较低优先级队列中的分组。这样，将关键业务的分组放入较高优先级的队列，将非关键业务的分组放入较低优先级的队列，可保证关键业务的分组被优先传送，非关键业务的分组在处理关键业务数据的空闲间隙被传送。
PQ的缺点是：拥塞发生时，如较高优先级队列中长时间有分组存在，那么低优先级队列中报文将一直得不到服务。
3）CQ（定制队列，Custom Queuing）。CQ通常17个队列，0～16。0队列为保留的系统队列，1～16号队列是用户队列。用户可以配置流分类的规则，指定16个用户队列占用接口或PVC带宽的比例关系。在队列调度时，系统队列中的分组被优先发送。直到系统队列为空，再采用轮询的方式按照预先配置的带宽比例依次从1到16号用户队列中取出一定数量的分组发送出去。这样，就可使不同业务的分组获得不同的带宽，既可保证关键业务能获得较多的带宽，又不至于使非关键业务得不到带宽。默认情况下数据流进入1号队列。CQ过程如图9-21所示。
定制队列的另一个优点是：可根据业务的繁忙程度分配带宽，适用于对带宽有特殊需求的应用。虽然16个用户队列的调度是轮询进行的，但对每个队列不是固定地分配服务时间片。如某个队列为空，那么马上换到下一个队列调度。因此，当没有某些类别的报文时，CQ调度机制能自动增加现存类别的报文可占的带宽。
图9-21 定制队列（CQ）处理过程
4）WFQ（Weighted Fair Queuing，加权公平队列）。公平队列FQ是为了公平地分享网络资源，尽可能使所有流的延迟和抖动达到最优而推出的。它照顾各方面利益，主要表现在：不同的队列获得公平的调度机会，从总体上均衡各个流的延迟；短报文和长报文获得公平的调度，如不同队列间同时存在多个长报文和短报文等待发送，应当顾及短报文的利益，让短报文优先获得调度，从而在总体上减少各个流的报文间的抖动。
与FQ相比，WFQ在计算报文调度次序时增加了优先权方面的考虑。据统计，WFQ使高优先权的报文获得优先调度的机会多于低优先权的报文。WFQ能按流“会话”信息（协议类型、源和目的TCP或UDP端口号、源和目的IP地址、域中优先级位等）自动进行流分类，并且尽可能多地提供队列，以将每个流均匀地放入不同队列中，从而在总体上均衡各个流的延迟。在出队时，WFQ按照流优先级来分配每个流应占有的出口带宽。优先级数值越小，所得带宽越少，优先级数值越大，所得带宽越多。例如：接口中当前共有5个流，其优先级分别为0、1、2、3、4，则带宽总配额为所有（流的优先级+1）的和，即1+2+3+4+5=15。每个流所占带宽比例为：（自己的优先级数+1）/（所有（流的优先级+1）的和）。即每个流可得带宽分别为：1/15、2/15、3/15、4/15、5/15。
因WFQ在拥塞发生时能均衡各个流的延迟和抖动，所以WFQ在一些特殊场合得到有效应用。比如在使用资源预留协议RSVP（Resource Reservation Protocol）的保证型业务中，通常就采用WFQ作为调度策略；在流量整形中，也采用WFQ调度缓存的报文。
5）CBQ（Class Based Queuing，基于类的队列）。CBQ是对WFQ功能的扩展，为用户提供定义类的支持。在网络拥塞时，CBQ根据用户定义的类规则对报文进行匹配，并使其进入相应的队列，在入队列之前必须进行拥塞避免机制和带宽限制的检查。在报文出队列时，加权公平调度每个类对应的队列中的报文。
CBQ包括以下队列。
●紧急队列：CBQ提供一个紧急队列，紧急报文入该队列，该队列采用FIFO调度，没有带宽限制。
●LLQ（低延迟队列，Low Latency Queuing）：即EF队列。如CBQ加权公平对待所有类的队列，实时业务报文（语音与视频业务，对延迟比较敏感）就可能得不到及时发送。为此引入EF队列，为实时业务报文提供严格优先发送服务。LLQ将严格优先队列机制与CBQ结合起来使用，用户在定义类时可指定其享受严格优先服务，这样的类称为优先类。所有优先类报文将进入同一优先队列，在入队列之前需对各类报文进行带宽限制的检查。报文出队列时，将首先发送优先队列中的报文，直到发送完后才发送其他类对应的队列的报文。为了不让其他队列中的报文延迟时间过长，使用LLQ时将会为每个优先类指定可用最大带宽，该带宽值用于拥塞发生时的监管流量。若拥塞未发生，优先类允许使用超出分配的带宽，如拥塞发生了，优先类超出分配带宽的数据包将被丢弃。
●BQ（Bandwidth Queuing，带宽队列）：即AF队列。为AF业务提供严格、精确带宽保证，并且保证各类AF业务之间按一定的比例关系进行队列调度。最多支持64个AF队列。
●默认队列：一个WFQ队列，用来支撑BE业务，使用接口剩余带宽进行发送。系统在为报文匹配时，规则为先匹配优先类，再匹配其他类；对多个优先类，按配置顺序逐一匹配；对其他类，也按配置顺序逐一匹配；对类中多个规则，按配置顺序逐一匹配。
6）RTP（Real-time Transport Protocol，优先队列）。RTP优先队列是一种保证实时业务（包括语音与视频业务）服务质量的简单的队列技术。其原理就是将承载语音或视频的RTP报文送入高优先级队列，使其得到优先发送，保证时延和抖动降低为最低限度，从而保证了语音或视频这种对时延敏感业务的服务质量。图9-22为RTP队列处理过程。
图9-22 RTP队列处理过程
RTP优先队列将RTP报文送入一个具有较高优先级的队列。RTP报文是端口号在一定范围内为偶数的UDP报文，端口号范围可以配置。RTP优先队列可同下面队列（FIFO、PQ、CQ和WFQ）结合使用，而其优先级最高。
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