陳品華　盧周成

摘要:本文介紹中小企業(yè)如何利用Cisco 2600系列路由器實(shí)現(xiàn)QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量），解釋具體實(shí)現(xiàn)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，并給出了一個配置實(shí)例。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)阻塞; QoS; 服務(wù)模型; WRED; CBWFQ;CAR

1QoS與網(wǎng)絡(luò)阻塞

目前，視頻會議、辦公室自動化、數(shù)據(jù)庫、ERP、CRM等關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用與日俱增。與此同時，這些花費(fèi)IT預(yù)算一大部分的信息流應(yīng)用卻要與其它相對無關(guān)緊要的應(yīng)用如電子郵件和網(wǎng)上瀏覽等爭奪有限的廣域網(wǎng)資源，網(wǎng)絡(luò)阻塞已經(jīng)成為我們?nèi)粘６家鎸Φ姆浅ｎ^痛問題。網(wǎng)絡(luò)阻塞主要由以下幾個原因引起：

1.1局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)接合部吞吐容量的巨大落差。

今天局域網(wǎng)所普遍采用的局域以太網(wǎng)技術(shù)有100兆、千兆等，而廣域網(wǎng)采用DDN、幀中繼、ISDN、MPLS或衛(wèi)星等傳輸技術(shù)，傳輸管道帶寬通常在10兆以下。在局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)接合部上吞吐量的如此巨大差異，通信瓶頸自然形成。

1.2信息源發(fā)送數(shù)據(jù)的隨機(jī)性。

另一個令阻塞產(chǎn)生的主因就是信息發(fā)送的時間也不受控制。信息源，無論是服務(wù)器或客戶機(jī)，在收到對方信息發(fā)送請求后就會向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送對方所需的數(shù)據(jù)。信息源在這時是不會關(guān)心或顧及網(wǎng)絡(luò)是否有資源去處理正在被發(fā)送的數(shù)據(jù)量，而是先發(fā)了再說。

1.3 TCP的慢啟。

為了使每一項(xiàng)傳輸任務(wù)能盡早完成，TCP協(xié)議具有一種與生俱來的流量控制特性叫“慢啟”(Slow Start)?！奥龁ⅰ币竺繉CP會話中接收一方在確認(rèn)封包(Acknowledgement Packet)中向發(fā)送方廣播一個比上次交易(Transaction)更大尺寸的窗口(Window)，使發(fā)送方在下一輪的發(fā)送中不需等待確認(rèn)便發(fā)送更大量的信息。這種機(jī)制的原意是要提高傳輸效率好讓任務(wù)盡早完成。但是，在帶寬供求失衡時，這種機(jī)制讓發(fā)送一方不顧后果地向?qū)Ψ桨l(fā)送越來越大量的數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)被堵塞或干脆丟棄為止，又從頭再來。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中每一對TCP會話都以同樣的貪婪方式作傳輸時，將給網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶來極大的壓力，會有很多信息包會被路由器無情地扔掉，引起數(shù)據(jù)包的大量重發(fā)。

1.4信息包在路由器上漫長的等待和迷失。

路由器是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)樞紐，當(dāng)從局域網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)向廣域網(wǎng)的信息流總量超過廣域網(wǎng)傳輸管道容量時，路由器只能讓來不及轉(zhuǎn)發(fā)的信息包排隊(duì)。當(dāng)路由器里隊(duì)列過長，路由器上不同的信息包丟棄機(jī)制就會起動，大量的信息包就會被拋棄，導(dǎo)致嚴(yán)重的TCP重發(fā)。

綜上所述，在今天的多業(yè)務(wù)企業(yè)網(wǎng)中，需要一種行之有效的QoS技術(shù)以解決網(wǎng)絡(luò)阻塞問題，盡量保障企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用的暢通無阻，控制廣域網(wǎng)資源的巨大開銷。

2QoS與Cisco 2600系列路由器

QoS含義很簡單，就是在有限的廣域資源的前提下，為應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)質(zhì)量，讓關(guān)鍵應(yīng)用以最低的響應(yīng)時延通過網(wǎng)絡(luò)而不受時間、用戶數(shù)變化和網(wǎng)絡(luò)突發(fā)事件因素的影響。通俗地講，在帶寬還不充裕的情況下可以緩解一下各種服務(wù)流量占用的矛盾，如果帶寬足夠的話，QoS是沒有任何使用價值的。[2]

Cisco 2600模塊化路由器系列是Cisco公司低端路由器的經(jīng)典產(chǎn)品，以其通用性、集成性和強(qiáng)大功能在眾多企業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。

Cisco 2600模塊化路由器系列的IOS軟件支持關(guān)鍵的QoS功能，包括加權(quán)隨機(jī)早期檢測（WRED）、CBWFQ隊(duì)列技術(shù)、承諾訪問速率（CAR）等。

因此，對于眾多擁有Cisco2600系列路由器的中小企業(yè)來說，可以直接在Cisco路由器上實(shí)施QoS，以保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的基本QoS需求。

3幾個關(guān)鍵技術(shù)

3.1服務(wù)模型

QoS的服務(wù)模型的概念就是采用通過什么模式全局實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量保證，一共分成三種[3]。

（1）Best-Effort service盡力而為服務(wù)模型

（2）Integrated service 綜合服務(wù)模型 簡稱IntServ

（3）Differentiated service區(qū)分服務(wù)模型 簡稱 DiffServ

3.1.1 Best-Effort服務(wù)模型

Best-Effort 是一個單一的服務(wù)模型，也是最簡單的服務(wù)模型。應(yīng)用程序可以在任何時候發(fā)出任意數(shù)量的報文，而且不需要事先獲得批準(zhǔn)，也不需要通知網(wǎng)絡(luò)。對 Best-Effort 服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)盡最大的可能性來發(fā)送報文，但對時延、可靠性等性能不提供任何保證。Best-Effort 服務(wù)是現(xiàn)在 Internet 的缺省服務(wù)模型，它適用于絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如 FTP、E-Mail 等。其實(shí) best-effort 并非是什么QoS，而是互聯(lián)網(wǎng)的簡單數(shù)據(jù)傳輸方式，有什么傳什么，阻塞也就阻塞了，丟棄也就丟棄了。

3.1.2 IntServ服務(wù)模型

IntServ是一個集成服務(wù)模型，這種服務(wù)模型在發(fā)送報文前，需要向網(wǎng)絡(luò)申請?zhí)囟ǖ姆?wù)。應(yīng)用程序首先通知網(wǎng)絡(luò)自己的流量參數(shù)和需要的特定服務(wù)質(zhì)量請求，包括帶寬、時延等。應(yīng)用程序一般在收到網(wǎng)絡(luò)的確認(rèn)信息，即確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為這個應(yīng)用程序的報文預(yù)留了資源后，才開始發(fā)送報文，同時應(yīng)用程序發(fā)出的報文應(yīng)該控制在流量參數(shù)描述的范圍以內(nèi)。

IntServ 有著嚴(yán)重的缺陷，所以這種模型在1994年推出之后就沒有獲得任何規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

3.1.3 DiffServ服務(wù)模型

DiffServ 是一個多服務(wù)模型，它可以滿足不同的 QoS 需求，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。與 IntServ 不同，它不需要使用 RSVP，即應(yīng)用程序在發(fā)出報文前不需要通知路由器為其預(yù)留資源，對DiffServ 服務(wù)模型，網(wǎng)絡(luò)不需要為每個流維護(hù)狀態(tài)，它根據(jù)每個報文指定的 QoS 來提供特定的服務(wù)，可以用不同的方法來指定報文的 QoS，如IP報文的優(yōu)先級位（IP Precedence)、DSCP（Differentiated Services Code Point，區(qū)分服務(wù)代碼點(diǎn)）、報文的源地址和目的地址等，網(wǎng)絡(luò)通過這些信息來進(jìn)行報文的分類、流量整形、流量監(jiān)管和隊(duì)列調(diào)度。

3.2分類與標(biāo)記

通常于網(wǎng)絡(luò)邊界處對報文進(jìn)行分類時，同時標(biāo)記IP先級和 DSCP。這樣，在網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部就可以簡單地使用IP優(yōu)先級或 DSCP作為分類的標(biāo)準(zhǔn)，而隊(duì)列技術(shù)如CBWFQ就可以使用這個優(yōu)先級來對報文進(jìn)行不同的處理。

利用NBAR（基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序識別）可以對使用動態(tài)分配TCP/UDP端口號的應(yīng)用程序和HTTP流量等進(jìn)行分類。

標(biāo)記在Frame中和packet中本身就存在，F(xiàn)rame中存在 CoS(服務(wù)類別)字段，packet中則使用DSCP(區(qū)分服務(wù)代碼點(diǎn))。

對于CoS，IEEE802.3Q的Frame中有三個bit定義服務(wù)級別，一共有6個服務(wù)級別可以使用；對于DSCP，定義了0~63一共64個優(yōu)先級可以使用。

分類是沒有范圍限制的，也就是說我們可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的分類，比如說把某一個源IP到目的IP的流量優(yōu)先級進(jìn)行更改DSCP的操作。

CoS 和 DSCP 彼此匹配時的對應(yīng)關(guān)系如下表。

3.3 CBWFQ隊(duì)列技術(shù)

QoS的策略主要通過隊(duì)列技術(shù)體現(xiàn)出來，隊(duì)列技術(shù)的原理就是使報文在路由器中按一定的策略暫時緩存到隊(duì)列中,然后再按一定的調(diào)度策略把報文從隊(duì)列中并取出在接口上發(fā)送出去。

CBWFQ（Class Based Weighted Fair Queuing，基于類的加權(quán)公平隊(duì)列），首先根據(jù)IP優(yōu)先級、DSCP或者輸入接口的IP數(shù)據(jù)流等規(guī)則來對報文進(jìn)行分類，讓不同類別的報文進(jìn)入不同的隊(duì)列，對于不匹配任何類別的報文將被送入系統(tǒng)定義的缺省類。

3.4 WRED

RED（Random Early Detection，隨機(jī)早期檢測）可以用來作為一種在網(wǎng)絡(luò)的帶寬瓶頸處防止擁塞問題的回避機(jī)制。WRED（Weighted Random Early Detection，加權(quán)隨機(jī)早期檢測）是RED的Cisco實(shí)現(xiàn)，通過IP優(yōu)先權(quán)級別決定的加權(quán)計(jì)算機(jī)與RED算法結(jié)合起來。

WRED功能提供一個統(tǒng)計(jì)工具來確保有效的鏈路利用率，當(dāng)輸出的緩沖區(qū)到達(dá)警戒線時，分組將被隨機(jī)選擇以決定是否丟包。在最小閾值下，沒有數(shù)據(jù)包被丟棄；在閾值之上，所有數(shù)據(jù)包被丟棄。當(dāng)緩沖區(qū)在兩個閾值之間，丟棄的速率是平均隊(duì)列長度的一個函數(shù)。平均隊(duì)列長度是整個運(yùn)行時間里的平均值。因?yàn)閿?shù)據(jù)被丟棄的隨機(jī)性，所有流中的數(shù)據(jù)包在不同的時間被丟棄，這樣防止了經(jīng)常伴隨尾部丟棄一起出現(xiàn)的“全局同步”現(xiàn)象。

3.5承諾訪問速率CAR

流量策略（Traffic Policing）的典型作用是限制進(jìn)入某一網(wǎng)絡(luò)的某一連接的流量與突發(fā)（當(dāng)然，限制發(fā)出也是可以的），在報文滿足一定的條件時，如某個連接的報文流量過大，監(jiān)管就可以對該報文采取不同的處理動作例如丟棄報文或重新設(shè)置報文的優(yōu)先級等， 通常的做法是使用CAR（CommittedAccessRate，承諾訪問速率）來限制某類報文的流量例如限制HTTP報文不能占用超過50%的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

CAR利用令牌桶（Token Bucket, TB）進(jìn)行流量控制。首先根據(jù)預(yù)先設(shè)置的匹配規(guī)則來對報文進(jìn)行分類，如果是沒有規(guī)定流量特性的報文就直接繼續(xù)發(fā)送，并不需要經(jīng)過令牌桶的處理；如果是需要進(jìn)行流量控制的報文，則會進(jìn)入令牌桶中進(jìn)行處理，如果令牌桶中有足夠的令牌可以用來發(fā)送報文，則允許報文通過，報文可以被繼續(xù)發(fā)送下去；如果令牌桶中的令牌不滿足報文的發(fā)送條件則報文被丟棄，這樣就可以對某類報文的流量進(jìn)行控制。

4QoS配置實(shí)例

在class-map中High_PRI類采用NBAR匹配實(shí)時性較高的應(yīng)用，如：realaudio、streamwork、telnet、Http等。Low_PRI類采用NBAR匹配實(shí)時性不強(qiáng)的應(yīng)用，如：ftp、pop3、smtp等。

在policy-map中針對不同的class，分別采用CBWFQ、WRED策略。在S 0/0串口上采用Input CAR策略。對進(jìn)入S 0/0串口的流量進(jìn)行整形。

Current configuration : 3568 bytes

!

!

version 12.2

service timestamps debug datetime

service timestamps log datetime

service password-encryption

!

hostname xxxxxx

!

enable secret a $1$uxsPt#/Uyt

!

clock timezone China 8

ip subnet-zero

no ip source-route

ip cef

!

!

ip name-server x.x.x.x

!

no ip bootp server

!

class-map match-any High_PRI //分類，定義匹配列表

match protocol http //NBAR匹配http協(xié)議

match protocol realaudio

match protocol streamwork

match protocol telnet

class-map match-any Low_PRI

match protocol ftp

match protocol imap

match protocol pop3

match protocol smtp

!

policy-map QoS_policy_map //定義QoS策略

class High_PRI

bandwidth percent 50//定義保留的帶寬

random-detect//啟用WRED

random-detect exponential-weighting-constant 4

police cir 2000000 bc 10000 be 10000//使用令牌桶算法進(jìn)行限速

conform-action transmit

exceed-action transmit

class Low_PRI

bandwidth percent 25

random-detect

random-detect exponential-weighting-constant 4

police cir 2000000 bc 2000 be 2000

conform-action transmit

exceed-action drop

!

!interface FastEthernet0/0

ip address 192.168.0.1 255.255.255.0

ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 secondary

ip verify unicast reverse-path

ip nat inside

ip route-cache same-interface

ip route-cache policy

ip policy route-map QoS

duplex auto

speed auto

no cdp enable

!

interface Serial0/0

bandwidth 2048

ip address x.x.x.x 255.255.255.252

ip verify unicast reverse-path

no ip proxy-arp

ip nat outside

rate-limit input 2000000 20000 20000 conform-action transmit exceed-action drop

ip route-cache policy

service-policy output QoS_policy_map //在接口上執(zhí)行

no cdp enable

!

ip nat inside source list 10 interface Serial0/0 overload

ip classless

ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 x.x.x.x

ip route 192.168.0.0 255.255.255.0 192.168.1.1

ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.0.1

no ip http server

no ip pim bidir-enable

!

line con 0

exec-timeout 0 0

line aux 0

line vty 0 4

password 7 ddiEkdi974DIExiekVIE

login

!

end

5結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用類型日益增多，為了保障主要應(yīng)用的良好運(yùn)作，必然要在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行流量控制。在企業(yè)網(wǎng)廣泛使用的Cisco路由器上實(shí)現(xiàn)QoS，其特點(diǎn)是成本低、實(shí)施方便，這對中小型企業(yè)來說，是一種很好的選擇。當(dāng)然，如果有足夠的預(yù)算，可以選擇專用的網(wǎng)絡(luò)流量控制產(chǎn)品（如Packeteer PacketShaper?），這類產(chǎn)品功能強(qiáng)大，但是價格十分昂貴。

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