QOS各種隊(duì)列詳解(FIFO-FQ-CBWFQ-PQ)

QOS各種隊(duì)列詳解(FIFO,FQ,CBWFQ,PQ)對(duì)于擁塞管理，一般采用隊(duì)列技術(shù)，使用一個(gè)隊(duì)列算法對(duì)流量進(jìn)行分類，之后用某種優(yōu)先級(jí)別算法將這些流量發(fā)送出去。每種隊(duì)列算法都是用以解決特定的網(wǎng)絡(luò)流量問題，并對(duì)帶寬資源的分配、延遲、抖動(dòng)等有著十分重要的影響。這里介紹幾種常用的隊(duì)列調(diào)度機(jī)制。1.FIFO（先入先出隊(duì)列，F(xiàn)irstInFirstOutQueuing）圖9先入先出隊(duì)列示意圖如上圖所示，F(xiàn)IFO按照時(shí)間到達(dá)的先后決定分組的轉(zhuǎn)發(fā)次序。用戶的業(yè)務(wù)流在某個(gè)設(shè)備能夠獲得的資源取決于分組的到達(dá)時(shí)機(jī)及當(dāng)時(shí)的負(fù)載情況。Best-Effort報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方式采用的就是FIFO的排隊(duì)策略。如果設(shè)備的每個(gè)端口只有一個(gè)基于FIFO的輸入或輸出隊(duì)列，那么惡性的應(yīng)用可能會(huì)占用所有的網(wǎng)絡(luò)資源，嚴(yán)重影響關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送。每個(gè)隊(duì)列內(nèi)部報(bào)文的發(fā)送（次序）關(guān)系缺省是FIFO。2.PQ（優(yōu)先隊(duì)列，PriorityQueuing）圖10優(yōu)先隊(duì)列示意圖PQ隊(duì)列是針對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的。關(guān)鍵業(yè)務(wù)有一個(gè)重要的特點(diǎn)，即在擁塞發(fā)生時(shí)要求優(yōu)先獲得服務(wù)以減小響應(yīng)的延遲。PQ可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（比如IP，IPX）、數(shù)據(jù)流入接口、報(bào)文長短、源地址/目的地址等靈活地指定優(yōu)先次序。優(yōu)先隊(duì)列將報(bào)文分成4類，分別為高優(yōu)先隊(duì)列（top）、中優(yōu)先隊(duì)列（middle）、正常優(yōu)先隊(duì)列（normal）和低優(yōu)先隊(duì)列（bottom），它們的優(yōu)先級(jí)依次降低。缺省情況下，數(shù)據(jù)流進(jìn)入normal隊(duì)列。在隊(duì)列調(diào)度時(shí)，PQ嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)從高到低的次序，優(yōu)先發(fā)送較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的分組，當(dāng)較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空時(shí)，再發(fā)送較低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的分組。這樣，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組放入較高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，將非關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組放入較低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，可以保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組被優(yōu)先傳送，非關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組在處理關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空閑間隙被傳送。PQ的缺點(diǎn)是如果較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中長時(shí)間有分組存在，那么低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文將一直得不到服務(wù)。3.CQ（定制隊(duì)列，CustomQueuing）圖11定制隊(duì)列示意圖CQ按照一定的規(guī)則將分組分成16類（對(duì)應(yīng)于16個(gè)隊(duì)列），分組根據(jù)自己的類別按照先進(jìn)先出的策略進(jìn)入相應(yīng)的CQ隊(duì)列。CQ的1到16號(hào)隊(duì)列是用戶隊(duì)列，如圖11所示。用戶可以配置流分類的規(guī)則，指定16個(gè)用戶隊(duì)列占用接口或PVC帶寬的比例關(guān)系。在隊(duì)列調(diào)度時(shí)，系統(tǒng)隊(duì)列中的分組被優(yōu)先發(fā)送。直到系統(tǒng)隊(duì)列為空，再采用輪詢的方式按照預(yù)先配置的帶寬比例依次從1到16號(hào)用戶隊(duì)列中取出一定數(shù)量的分組發(fā)送出去。這樣，就可以使不同業(yè)務(wù)的分組獲得不同的帶寬，既可以保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)能獲得較多的帶寬，又不至于使非關(guān)鍵業(yè)務(wù)得不到帶寬。缺省情況下，數(shù)據(jù)流進(jìn)入1號(hào)隊(duì)列。定制隊(duì)列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：可根據(jù)業(yè)務(wù)的繁忙程度分配帶寬，適用于對(duì)帶寬有特殊需求的應(yīng)用。雖然16個(gè)用戶隊(duì)列的調(diào)度是輪詢進(jìn)行的，但對(duì)每個(gè)隊(duì)列不是固定地分配服務(wù)時(shí)間片——如果某個(gè)隊(duì)列為空，那么馬上換到下一個(gè)隊(duì)列調(diào)度。因此，當(dāng)沒有某些類別的報(bào)文時(shí)，CQ調(diào)度機(jī)制能自動(dòng)增加現(xiàn)存類別的報(bào)文可占的帶寬。4.WFQ（加權(quán)公平隊(duì)列，WeightedFairQueuing）圖12加權(quán)公平隊(duì)列示意圖在介紹加權(quán)公平隊(duì)列前，先要理解公平隊(duì)列FQ（FairQueuing）。FQ是為了公平地分享網(wǎng)絡(luò)資源，盡可能使所有流的延遲和抖動(dòng)達(dá)到最優(yōu)而推出的。它照顧了各方面的利益，主要表現(xiàn)在：l不同的隊(duì)列獲得公平的調(diào)度機(jī)會(huì)，從總體上均衡各個(gè)流的延遲。l短報(bào)文和長報(bào)文獲得公平的調(diào)度：如果不同隊(duì)列間同時(shí)存在多個(gè)長報(bào)文和短報(bào)文等待發(fā)送，應(yīng)當(dāng)顧及短報(bào)文的利益，讓短報(bào)文優(yōu)先獲得調(diào)度，從而在總體上減少各個(gè)流的報(bào)文間的抖動(dòng)。與FQ相比，WFQ在計(jì)算報(bào)文調(diào)度次序時(shí)增加了優(yōu)先權(quán)方面的考慮。從統(tǒng)計(jì)上，WFQ使高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲得優(yōu)先調(diào)度的機(jī)會(huì)多于低優(yōu)先權(quán)的報(bào)文。WFQ能夠按流的“會(huì)話”信息（協(xié)議類型、源和目的TCP或UDP端口號(hào)、源和目的IP地址、ToS域中的優(yōu)先級(jí)位等）自動(dòng)進(jìn)行流分類，并且盡可能多地提供隊(duì)列，以將每個(gè)流均勻地放入不同隊(duì)列中，從而在總體上均衡各個(gè)流的延遲。在出隊(duì)的時(shí)候，WFQ按流的優(yōu)先級(jí)（precedence）來分配每個(gè)流應(yīng)占有出口的帶寬。優(yōu)先級(jí)的數(shù)值越小，所得的帶寬越少。優(yōu)先級(jí)的數(shù)值越大，所得的帶寬越多。例如：接口中當(dāng)前共有5個(gè)流，它們的優(yōu)先級(jí)分別為0、1、2、3、4，則帶寬總配額為所有（流的優(yōu)先級(jí)+1）的和。即1+2+3+4+5=15每個(gè)流所占帶寬比例為：（自己的優(yōu)先級(jí)數(shù)+1）/（所有(流的優(yōu)先級(jí)+1)的和）。即每個(gè)流可得的帶寬分別為：1/15，2/15，3/15，4/15，5/15。由于WFQ在擁塞發(fā)生時(shí)能均衡各個(gè)流的延遲和抖動(dòng)，所以WFQ在一些特殊場(chǎng)合得到了有效的應(yīng)用。比如在使用資源預(yù)留協(xié)議RSVP（ResourceReservationProtocol）的保證型業(yè)務(wù)中，通常就是采用WFQ作為調(diào)度策略；在流量整形TS中，也采用WFQ調(diào)度緩存的報(bào)文。5.CBQ（基于類的隊(duì)列，ClassBasedQueuing）CBQ是對(duì)WFQ功能的擴(kuò)展，為用戶提供了定義類的支持。CBQ為每個(gè)用戶定義的類分配一個(gè)單獨(dú)的FIFO預(yù)留隊(duì)列，用來緩沖同一類的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，CBQ對(duì)報(bào)文根據(jù)用戶定義的類規(guī)則進(jìn)行匹配，并使其進(jìn)入相應(yīng)的隊(duì)列，在入隊(duì)列之前必須進(jìn)行擁塞避免機(jī)制（尾部丟棄或WRED，WeightedRandomEarlyDetection，加權(quán)隨機(jī)早期檢測(cè)）和帶寬限制的檢查。在報(bào)文出隊(duì)列時(shí)，加權(quán)公平調(diào)度每個(gè)類對(duì)應(yīng)的隊(duì)列中的報(bào)文。CBQ提供一個(gè)緊急隊(duì)列，緊急報(bào)文入該隊(duì)列，該隊(duì)列采用FIFO調(diào)度，沒有帶寬限制。這樣，如果CBQ加權(quán)公平對(duì)待所有類的隊(duì)列，語音報(bào)文這類對(duì)延遲敏感的數(shù)據(jù)流就可能得不到及時(shí)發(fā)送。為此將PQ特性引入CBQ，稱其為LLQ（LowLatencyQueuing，低延遲隊(duì)列），為語音報(bào)文這樣的對(duì)延遲敏感的數(shù)據(jù)流提供嚴(yán)格優(yōu)先發(fā)送服務(wù)。LLQ將嚴(yán)格優(yōu)先隊(duì)列機(jī)制與CBQ結(jié)合起來使用，用戶在定義類時(shí)可以指定其享受嚴(yán)格優(yōu)先服務(wù)，這樣的類稱作優(yōu)先類。所有優(yōu)先類的報(bào)文將進(jìn)入同一個(gè)優(yōu)先隊(duì)列，在入隊(duì)列之前需對(duì)各類報(bào)文進(jìn)行帶寬限制的檢查。報(bào)文出隊(duì)列時(shí)，將首先發(fā)送優(yōu)先隊(duì)列中的報(bào)文，直到發(fā)送完后才發(fā)送其他類對(duì)應(yīng)的隊(duì)列的報(bào)文。在發(fā)送其他隊(duì)列報(bào)文時(shí)將仍然按照加權(quán)公平的方式調(diào)度。為了不讓其他隊(duì)列中的報(bào)文延遲時(shí)間過長，在使用LLQ時(shí)將會(huì)為每個(gè)優(yōu)先類指定可用最大帶寬，該帶寬值用于擁塞發(fā)生時(shí)監(jiān)管流量。如果擁塞未發(fā)生，優(yōu)先類允許使用超過分配的帶寬。如果擁塞發(fā)生，優(yōu)先類超過分配帶寬的數(shù)據(jù)包將被丟棄。LLQ還可以指定Burst-size。系統(tǒng)在為報(bào)文匹配規(guī)則時(shí)，規(guī)則如下：l先匹配優(yōu)先類，然后再匹配其他類；l對(duì)多個(gè)優(yōu)先類，按照配置順序逐一匹配；l對(duì)其他類，也是按照配置順序逐一匹配；l對(duì)類中多個(gè)規(guī)則，按照配置順序逐一匹配。6.RTP（Real-timeTransportProtocol）優(yōu)先隊(duì)列RTP優(yōu)先隊(duì)列是一種保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)（包括語音與視頻業(yè)務(wù)）服務(wù)質(zhì)量的簡單的隊(duì)列技術(shù)。其原理就是將承載語音或視頻的RTP報(bào)文送入高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，使其得到優(yōu)先發(fā)送，保證時(shí)延和抖動(dòng)降低為最低限度，從而保證了語音或視頻這種對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。圖13RTP隊(duì)列示意圖如上圖所示，RTP優(yōu)