擁塞管理與避免

1、擁塞管理與擁塞避免當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中間歇性的出現(xiàn)擁塞，且關(guān)鍵報文要求被更優(yōu)先地轉(zhuǎn)發(fā)時，此時就需要進(jìn)行擁塞管理。通過采用隊列技術(shù)及不同的調(diào)度算法來發(fā)送隊列中的報文流。如果某些突發(fā)的、非關(guān)鍵的報文裝滿隊列，而后續(xù)發(fā)往該隊列的關(guān)鍵報文都被全部丟棄，那么擁塞管理也未起到理想的效果，此時就需要配合使用擁塞避免技術(shù)。那么擁塞管理和擁塞避免具體是如何實現(xiàn)的？在實際應(yīng)用場景中，又該如何配置呢？學(xué)完本課程后，您將能夠：了解擁塞管理的實現(xiàn)過程熟悉常用隊列調(diào)度算法熟悉尾丟棄的缺點及解決辦法擁塞管理擁塞現(xiàn)象的產(chǎn)生與改善常見的隊列調(diào)度算法擁塞管理的配置實現(xiàn)擁塞避免擁塞現(xiàn)象的產(chǎn)生擁塞管理通過隊列機(jī)制來實現(xiàn)：第一步：將準(zhǔn)備從一個接口

2、發(fā)出的所有報文放入不同的緩存隊列中；第二步：根據(jù)各隊列間的調(diào)度機(jī)制實現(xiàn)不同報文的差分轉(zhuǎn)發(fā)。 當(dāng)總部與分部間的通信流量超過總部出口帶寬時，必然會在RTA出口處發(fā)生擁塞。 此時，對時延非常敏感的語音、視頻業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量很可能得不到保障，這就需要對擁塞進(jìn)行管理。公司總部FTP Server10Mbps2MbpsRTA10Mbps公司分部擁塞根據(jù)報文所攜帶標(biāo)記對應(yīng)的LP值與隊列索引號的對應(yīng)關(guān)系表，來實現(xiàn)將不同的報文送入不同隊列。擁塞管理實現(xiàn)的第一步FTP ServerSWA802.1p=1802.1p=5802.1p=3802.1p=2RTASWB802.1pLP隊列索引-00111222333-44

3、555-66-77隊列0隊列1隊列2公司分部擁塞管理實現(xiàn)的第二步隊列0隊列1隊列2DataDataDataManagerFTPFTPFTPVideoVideo隊列5VoiceVoiceVoiceDataFTPVideo哪個隊列該優(yōu)先被調(diào)度呢？ 提供差分服務(wù)的核心就是擁塞發(fā)生時如何決定不同隊列報文的轉(zhuǎn)發(fā)次序，這就用到了隊列的調(diào)度機(jī)制。 常見的隊列調(diào)度算法包括：FIFO，PQ，WRR，WFQ，CBQ等。擁塞管理擁塞現(xiàn)象的產(chǎn)生與改善常見的隊列調(diào)度算法擁塞管理的配置實現(xiàn)擁塞避免FIFO(First In First Out)優(yōu)點：實現(xiàn)機(jī)制簡單且處理速度快。缺點：不能有差別地對待優(yōu)先級不同的報文。出隊調(diào)

4、度FIFO隊列緊急次緊急非緊急PQ(Priority Queuing)優(yōu)點：對高優(yōu)先級的報文提供了優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。缺點：低優(yōu)先級隊列可能出現(xiàn)“餓死”現(xiàn)象。分類Bottom出隊調(diào)度緊急次緊急非緊急NormalMiddleTopWRR(Weighted Round Robin)隊列a 權(quán)重3隊列b 權(quán)重2725隊列c 權(quán)重1369acb814147253優(yōu)點：避免了PQ調(diào)度的“餓死”現(xiàn)象。缺點：基于報文個數(shù)來調(diào)度，容易出現(xiàn)包長尺寸不同的報文出現(xiàn)不平等調(diào)度；低時延業(yè)務(wù)得不到及時調(diào)度。WFQ(Weighted Fair Queuing)優(yōu)點：可完全按照權(quán)重分配帶寬；自動分類，配置簡單。缺點：低時延業(yè)務(wù)仍得不

5、到及時調(diào)度；無法實現(xiàn)用戶自定義分類規(guī)則。PQ+WFQ優(yōu)點：可保證低時延業(yè)務(wù)得到及時調(diào)度；實現(xiàn)按權(quán)重分配帶寬等。缺點：無法實現(xiàn)根據(jù)用戶自定義靈活分類報文的需求。CBQ(Class-based Queueing)優(yōu)點：提供了自定義類的支持；可為不同的業(yè)務(wù)定義不同的調(diào)度策略。缺點：由于涉及到復(fù)雜的流分類，故啟用CBQ會耗費一定的系統(tǒng)資源。隊列調(diào)度算法的比較類型優(yōu)點缺點FIFO實現(xiàn)簡單，處理速度快不能有差別地對待優(yōu)先級不同的報文PQ低延遲業(yè)務(wù)能得到保障低優(yōu)先級隊列可能出現(xiàn)“餓死”現(xiàn)象WRR避免了低優(yōu)先級隊列的“餓死”現(xiàn)象不平等調(diào)度；低時延業(yè)務(wù)得不到保障WFQ按權(quán)重實現(xiàn)公平調(diào)度；自動分類，配置簡單低時延

6、業(yè)務(wù)得不到保障；無法支持自定義類PQ+WFQ低時延業(yè)務(wù)能得到保障；按權(quán)重實現(xiàn)公平調(diào)度等無法支持自定義類CBQ支持自定義類耗費較多的系統(tǒng)資源擁塞管理擁塞現(xiàn)象的產(chǎn)生與改善常見的隊列調(diào)度算法擁塞管理的配置實現(xiàn)擁塞避免需求：為語音流量提供優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，其他流量公平對待。擁塞管理的配置需求（PQ+WFQ）公司總部FTP Server10Mbps2MbpsRTA10Mbps公司分部G0/0/0擁塞管理的配置實現(xiàn)（PQ+WFQ）RTA隊列調(diào)度隊列1隊列2隊列5WFQPQRTAqos queue-profile qos-Huawei schedule pq 5 wfq 1 to 3 int g0/0/0 qo

7、s queue-profile qos-Huawei RTAdis qos queue-profile qos-Huawei Queue-profile: qos-Huawei Queue Schedule Weight Length GTS - 1 WFQ 10 -/- -/- 2 WFQ 10 -/- -/- 3 WFQ 10 -/- -/- 5 PQ - -/- -/-G0/0/0隊列3擁塞管理擁塞避免尾丟棄的缺點及解決辦法WRED的配置實現(xiàn)隊列被裝滿后的傳統(tǒng)處理方式由于每個隊列長度有限，當(dāng)某一隊列已經(jīng)被裝滿時，傳統(tǒng)的處理方法會將后續(xù)向該隊列發(fā)送的報文全部丟棄，直至擁塞解除，這種處理方式

8、稱為尾丟棄（Tail Drop）。6個數(shù)據(jù)包每秒4個數(shù)據(jù)包每秒432165 此時隊列已經(jīng)被裝滿。 當(dāng)隊列已滿時，后續(xù)向該隊列發(fā)送的報文都將直接被丟棄。 由于擁塞，大量的TCP連接包被丟棄。尾丟棄的缺點一：引發(fā)TCP全局同步現(xiàn)象 (1) 發(fā)生擁塞，隊列排滿進(jìn)行尾丟棄行為。FTP ServerRTA10Mbps公司分部公司總部TCP連接10Mbps5Mbps尾丟棄的缺點一：引發(fā)TCP全局同步現(xiàn)象 (2) TCP慢啟動過程。 流量過大，導(dǎo)致隊列被裝滿，發(fā)生尾丟棄行為。 Server回復(fù)的TCP確認(rèn)包由于擁塞被丟掉，故發(fā)送方未收到TCP確認(rèn)，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞，于是同時將TCP Window Siz

9、e減小，則整體流量同時減小。 此時網(wǎng)絡(luò)擁塞消除，發(fā)送方又都能收到TCP確認(rèn)包，故認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)不再擁塞，于是又都進(jìn)入TCP慢啟動過程，周而復(fù)始。時間流量 當(dāng)隊列長度在高門限和低門限之間時，開始隨機(jī)丟棄新到來的報文，且隊列越長，丟棄概率越大。解決辦法：RED為避免TCP全局同步，可在隊列未裝滿時先隨機(jī)丟棄一部分報文。通過預(yù)先降低一部分TCP連接的傳輸速率來盡可能延緩TCP全局同步的到來。這種預(yù)先隨機(jī)丟棄報文的行為被稱為早期隨機(jī)檢測（RED）。低門限高門限最大丟棄概率丟棄概率曲線100%隊列最大長度實際隊列長度丟棄概率 當(dāng)隊列小于低門限時，不丟棄報文。 當(dāng)隊列長度超過高門限時，丟棄所有新到來的報文，即尾

10、丟棄。 仍可能出現(xiàn)TCP全局同步現(xiàn)象，但鏈路利用率已大大增加。時間流量尾丟棄的缺點二：引起TCP餓死現(xiàn)象導(dǎo)致原因：尾丟棄無法對流量進(jìn)行區(qū)分丟棄。UDP4UDP3TCP2UDP1 此時隊列已經(jīng)被裝滿。 后續(xù)發(fā)往該隊列的大量TCP報文將進(jìn)行尾丟棄，并造成Window Size減小，TCP流量整體減小，而UDP流量并不會減少，反而可能會占滿整個隊列，造成TCP餓死現(xiàn)象。UDP9TCP8TCP7UDP6TCP5尾丟棄的缺點三：無差別地丟棄非關(guān)鍵數(shù)據(jù)4非關(guān)鍵數(shù)據(jù)3非關(guān)鍵數(shù)據(jù)2關(guān)鍵數(shù)據(jù)1關(guān)鍵數(shù)據(jù)7關(guān)鍵數(shù)據(jù)6關(guān)鍵數(shù)據(jù)5導(dǎo)致原因：尾丟棄無法對流量進(jìn)行區(qū)分丟棄。 此時隊列已經(jīng)被裝滿。 尾丟棄很可能導(dǎo)致大量非關(guān)鍵

11、數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)，而大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)被丟棄。解決辦法：WREDWRED技術(shù)可以通過對不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)包或隊列設(shè)置相應(yīng)的丟棄策略，以實現(xiàn)對不同流量進(jìn)行區(qū)分丟棄。 IPP=2的流量低門限為35，高門限為40，相對于IPP=0的流量晚丟。20最大丟棄概率30%丟棄概率曲線100%實際隊列長度丟棄概率303540 IPP=0的流量低門限為20，高門限為40。IP Precedence為例：012WRED可以彌補(bǔ)尾丟棄的三個缺點，且大大提高了鏈路帶寬利用率。擁塞管理擁塞避免尾丟棄的缺點及解決辦法WRED的配置實現(xiàn)WRED配置需求Manager財務(wù)部FTP ServerSWASWBdscpdscpRTADS節(jié)點G0/

12、0/1需求：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞隊列被裝滿時，實現(xiàn)FTP流量相對其他服務(wù)最晚丟棄。E1WRED配置實現(xiàn)RTAdrop-profile manager wred dscp dscp 8 low-limit 50 high-limit 70 discard-percentage 10 drop-profile ftp wred dscp dscp 16 low-limit 70 high-limit 90 discard-percentage 10 drop-profile video wred dscp dscp 24 low-limit 60 high-limit 80 discard-percentage 20 qos queue-profile qos-Huawei queue 1 drop-profile manager queue 2 drop-profile ftp queue 3 drop-profile video interface E1 qos