QOS各種隊列詳解(FIFO-FQ-CBWFQ-PQ)

QOS各種隊列詳解(FIFO,FQ,CBWFQ,PQ)對于擁塞管理，一般采用隊列技術(shù)，使用一個隊列算法對流量進行分類，之后用某種優(yōu)先級別算法將這些流量發(fā)送出去。每種隊列算法都是用以解決特定的網(wǎng)絡(luò)流量問題，并對帶寬資源的分配、延遲、抖動等有著十分重要的影響。這里介紹幾種常用的隊列調(diào)度機制。1.FIFO（先入先出隊列，F(xiàn)irstInFirstOutQueuing）圖9先入先出隊列示意圖如上圖所示，F(xiàn)IFO按照時間到達的先后決定分組的轉(zhuǎn)發(fā)次序。用戶的業(yè)務(wù)流在某個設(shè)備能夠獲得的資源取決于分組的到達時機及當(dāng)時的負載情況。Best-Effort報文轉(zhuǎn)發(fā)方式采用的就是FIFO的排隊策略。如果設(shè)備的每個端口只有一個基于FIFO的輸入或輸出隊列，那么惡性的應(yīng)用可能會占用所有的網(wǎng)絡(luò)資源，嚴(yán)重影響關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送。每個隊列內(nèi)部報文的發(fā)送（次序）關(guān)系缺省是FIFO。2.PQ（優(yōu)先隊列，PriorityQueuing）圖10優(yōu)先隊列示意圖PQ隊列是針對關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計的。關(guān)鍵業(yè)務(wù)有一個重要的特點，即在擁塞發(fā)生時要求優(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)先隊列將報文分成4類，分別為高優(yōu)先隊列（top）、中優(yōu)先隊列（middle）、正常優(yōu)先隊列（normal）和低優(yōu)先隊列（bottom），它們的優(yōu)先級依次降低。缺省情況下，數(shù)據(jù)流進入normal隊列。在隊列調(diào)度時，PQ嚴(yán)格按照優(yōu)先級從高到低的次序，優(yōu)先發(fā)送較高優(yōu)先級隊列中的分組，當(dāng)較高優(yōu)先級隊列為空時，再發(fā)送較低優(yōu)先級隊列中的分組。這樣，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組放入較高優(yōu)先級的隊列，將非關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組放入較低優(yōu)先級的隊列，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的缺點是如果較高優(yōu)先級隊列中長時間有分組存在，那么低優(yōu)先級隊列中的報文將一直得不到服務(wù)。3.CQ（定制隊列，CustomQueuing）圖11定制隊列示意圖CQ按照一定的規(guī)則將分組分成16類（對應(yīng)于16個隊列），分組根據(jù)自己的類別按照先進先出的策略進入相應(yīng)的CQ隊列。CQ的1到16號隊列是用戶隊列，如圖11所示。用戶可以配置流分類的規(guī)則，指定16個用戶隊列占用接口或PVC帶寬的比例關(guān)系。在隊列調(diào)度時，系統(tǒng)隊列中的分組被優(yōu)先發(fā)送。直到系統(tǒng)隊列為空，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號用戶隊列中取出一定數(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)流進入1號隊列。定制隊列的另一個優(yōu)點是：可根據(jù)業(yè)務(wù)的繁忙程度分配帶寬，適用于對帶寬有特殊需求的應(yīng)用。雖然16個用戶隊列的調(diào)度是輪詢進行的，但對每個隊列不是固定地分配服務(wù)時間片——如果某個隊列為空，那么馬上換到下一個隊列調(diào)度。因此，當(dāng)沒有某些類別的報文時，CQ調(diào)度機制能自動增加現(xiàn)存類別的報文可占的帶寬。4.WFQ（加權(quán)公平隊列，WeightedFairQueuing）圖12加權(quán)公平隊列示意圖在介紹加權(quán)公平隊列前，先要理解公平隊列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達到最優(yōu)而推出的。它照顧了各方面的利益，主要表現(xiàn)在：l不同的隊列獲得公平的調(diào)度機會，從總體上均衡各個流的延遲。l短報文和長報文獲得公平的調(diào)度：如果不同隊列間同時存在多個長報文和短報文等待發(fā)送，應(yīng)當(dāng)顧及短報文的利益，讓短報文優(yōu)先獲得調(diào)度，從而在總體上減少各個流的報文間的抖動。與FQ相比，WFQ在計算報文調(diào)度次序時增加了優(yōu)先權(quán)方面的考慮。從統(tǒng)計上，WFQ使高優(yōu)先權(quán)的報文獲得優(yōu)先調(diào)度的機會多于低優(yōu)先權(quán)的報文。WFQ能夠按流的“會話”信息（協(xié)議類型、源和目的TCP或UDP端口號、源和目的IP地址、ToS域中的優(yōu)先級位等）自動進行流分類，并且盡可能多地提供隊列，以將每個流均勻地放入不同隊列中，從而在總體上均衡各個流的延遲。在出隊的時候，WFQ按流的優(yōu)先級（precedence）來分配每個流應(yīng)占有出口的帶寬。優(yōu)先級的數(shù)值越小，所得的帶寬越少。優(yōu)先級的數(shù)值越大，所得的帶寬越多。例如：接口中當(dāng)前共有5個流，它們的優(yōu)先級分別為0、1、2、3、4，則帶寬總配額為所有（流的優(yōu)先級+1）的和。即1+2+3+4+5=15每個流所占帶寬比例為：（自己的優(yōu)先級數(shù)+1）/（所有(流的優(yōu)先級+1)的和）。即每個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)生時能均衡各個流的延遲和抖動，所以WFQ在一些特殊場合得到了有效的應(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)度緩存的報文。5.CBQ（基于類的隊列，ClassBasedQueuing）CBQ是對WFQ功能的擴展，為用戶提供了定義類的支持。CBQ為每個用戶定義的類分配一個單獨的FIFO預(yù)留隊列，用來緩沖同一類的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)擁塞時，CBQ對報文根據(jù)用戶定義的類規(guī)則進行匹配，并使其進入相應(yīng)的隊列，在入隊列之前必須進行擁塞避免機制（尾部丟棄或WRED，WeightedRandomEarlyDetection，加權(quán)隨機早期檢測）和帶寬限制的檢查。在報文出隊列時，加權(quán)公平調(diào)度每個類對應(yīng)的隊列中的報文。CBQ提供一個緊急隊列，緊急報文入該隊列，該隊列采用FIFO調(diào)度，沒有帶寬限制。這樣，如果CBQ加權(quán)公平對待所有類的隊列，語音報文這類對延遲敏感的數(shù)據(jù)流就可能得不到及時發(fā)送。為此將PQ特性引入CBQ，稱其為LLQ（LowLatencyQueuing，低延遲隊列），為語音報文這樣的對延遲敏感的數(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)先隊列機制與CBQ結(jié)合起來使用，用戶在定義類時可以指定其享受嚴(yán)格優(yōu)先服務(wù)，這樣的類稱作優(yōu)先類。所有優(yōu)先類的報文將進入同一個優(yōu)先隊列，在入隊列之前需對各類報文進行帶寬限制的檢查。報文出隊列時，將首先發(fā)送優(yōu)先隊列中的報文，直到發(fā)送完后才發(fā)送其他類對應(yīng)的隊列的報文。在發(fā)送其他隊列報文時將仍然按照加權(quán)公平的方式調(diào)度。為了不讓其他隊列中的報文延遲時間過長，在使用LLQ時將會為每個優(yōu)先類指定可用最大帶寬，該帶寬值用于擁塞發(fā)生時監(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)在為報文匹配規(guī)則時，規(guī)則如下：l先匹配優(yōu)先類，然后再匹配其他類；l對多個優(yōu)先類，按照配置順序逐一匹配；l對其他類，也是按照配置順序逐一匹配；l對類中多個規(guī)則，按照配置順序逐一匹配。6.RTP（Real-timeTransportProtocol）優(yōu)先隊列RTP優(yōu)先隊列是一種保證實時業(yè)務(wù)（包括語音與視頻業(yè)務(wù)）服務(wù)質(zhì)量的簡單的隊列技術(shù)。其原理就是將承載語音或視頻的RTP報文送入高優(yōu)先級隊列，使其得到優(yōu)先發(fā)送，保證時延和抖動降低為最低限度，從而保證了語音或視頻這種對時延敏感業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。圖13RTP隊列示意圖如上圖所示，RTP優(yōu)